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《大连理工大学》 2007年
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基于GPU加速的实时虚拟鱼系统

李建明  
【摘要】: 逼真地在计算机上实时模拟鱼类的运动一直是图形学领域的一个研究热点,尤其是游戏、电影特效及电子娱乐产品的强力需求推动着这一方向的研究。人们不仅需要形象的真实感,也需要运动的真实感和实时性。而真实的鱼类运动是一个比较复杂的过程,其复杂度往往使得人们难以用一些简单过程来表述。如何发现这些规律并通过计算机来重现真实鱼类的运动成为关键问题。然而一方面图形领域中对于鱼类运动缺乏比较合适的描述和建模,另一方面物理计算的复杂性往往带来性能的严重损失,满足不了许多对时间要求较高的应用领域的需求,因此如何在视觉误差范围内对其计算处理进行加速就显得尤为重要。本文以在普通PC机上真实而又流畅地模拟鱼类运动为研究目标,以图形处理单元(Graphics Processing Unit,GPU)为工具,通过图形硬件的加速处理,试图在保证一定真实感的前提下提高计算效率,从而满足众多应用领域的需求。 在计算机仿真动画系统中,运动模拟、碰撞检测和纹理处理是三个关键的技术。本文以虚拟鱼系统为实验平台,对上述技术进行了研究。研究工作着重集中在以下三方面: 1.研究基于物理的计算机动画技术,设计了基于通用运动模型和GPU加速轴变形的鱼类运动模拟方法,实现了普通PC上鱼类运动的实时仿真。2.研究变形物体的碰撞检测技术,提出了基于粒子群优化和GPU加速的碰撞检测算法,提高了变形物体碰撞检测的速度。3.研究三维建模中的纹理处理方法和颜色传递算法,提出了一种基于GPU加速的快速颜色传递算法,并使用该算法较方便地生成丰富多彩的鱼类皮肤纹理。 本文的主要贡献和创新点在于如下工作: (1)针对传统鱼类运动仿真方法通用性差,处理网格模型时计算量大,很难在普通PC机上实时模拟的问题,设计了基于通用运动模型和GPU加速轴变形的鱼类运动模拟方法。首先在生物力学分析的基础上,对鱼的运动进行模块化分解和参数化处理,设计了通用鱼类运动模型。然后,提出基于GPU加速的网格模型轴变形动画方法,并使用通用运动函数进行轴线变形。与现有的鱼类运动仿真方法相比,该方法具有较好的扩展性,可以方便地模拟不同种类鱼的运动,同时提高了网格模型运动处理的计算速度,实现了在普通PC上鱼类运动的实时模拟。 (2)针对变形物体碰撞检测方法计算复杂度高,实时性差的问题,提出了一种基于粒子群优化和GPU加速的变形物体碰撞检测算法。首先实现了基于GPU加速的并行粒子群算法(GPUPSO),通过GPU提高并行粒子群算法的运算速度。然后把空间物体间距离计算转化为两组离散三角面片中最近三角面片对的寻优问题,并使用GPUPSO算法对其进行求解。与传统层次包围盒检测方法相比,该算法速度快,准确性较好,同时可以通过调节参数来平衡碰撞检测速度和精度之间的关系。 (3)针对传统的鱼类皮肤纹理处理方法中手工工作量大,自动化程度低,无法适应鱼类皮肤色彩变化的问题,提出了应用快速颜色传递算法的鱼类皮肤纹理生成方法。首先实现了基于GPU加速的图像颜色传递算法,通过GPU提高颜色传递算法处理速度。然后将该方法引入到鱼类皮肤纹理的生成过程中,采取固定纹理结构,改变色彩信息的方法生成彩色鱼类皮肤纹理。与传统纹理处理方法相比,该方法速度快,效果较好,完全程序化的处理过程,为鱼类皮肤颜色随环境和情绪实时变化的程序处理打下了基础。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TP391.9

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 林其选;王毅刚;;光子映射在CUDA中的研究与实现[J];计算机系统应用;2010年05期
中国硕士学位论文全文数据库 前8条
1 刘沛;二维DFT并行算法在CUDA架构上的实现[D];暨南大学;2011年
2 林其选;基于GPU加速的光子映射技术研究[D];杭州电子科技大学;2009年
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8 余泉旭;CAD系统文字显示加速技术的研究[D];华中科技大学;2009年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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10 申元霞;;自主式粒子群优化模型研究[J];重庆邮电大学学报(自然科学版);2009年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
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2 张顶学;关治洪;刘新芝;;多种群并行粒子群算法研究[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
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5 李瑞瑞;高小鹏;龙翔;;用GPU加速Cache模拟[A];2007北京地区高校研究生学术交流会通信与信息技术会议论文集(上册)[C];2008年
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10 李蔚清;苏智勇;杨正龙;吴慧中;;一种复杂目标RCS估计的快速仿真方法[A];2007系统仿真技术及其应用学术会议论文集[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 戴运桃;粒子群优化算法研究及其在船舶运动参数辨识中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
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3 张旭辉;基于自适应OFDM的电力线高速数据通信关键技术研究[D];哈尔滨理工大学;2009年
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5 吴锋;基于GPU并行计算的数值模拟与燃煤锅炉系统的优化研究[D];浙江大学;2010年
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7 徐江斌;基于气象数据的云景真实感模拟技术研究[D];国防科学技术大学;2010年
8 杨超;虚拟战场中电磁环境三维建模与绘制方法研究[D];国防科学技术大学;2010年
9 张帆;基于MPI和GPU直流电法和大地电磁法三维正演的并行算法研究[D];中国地质大学(北京);2011年
10 郑元满;重磁三维物性实时可视化反演关键技术研究[D];中国地质大学(北京);2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李跃;三维运动估计在织物动态仿真中的应用[D];浙江理工大学;2010年
2 郭绍波;仿生海龟水下机器人推进技术及实验研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 韩君;近期数据流频繁项集挖掘[D];大连理工大学;2010年
4 魏卓群;GPU并行免疫算法在冷轧生产调度中的应用[D];大连理工大学;2010年
5 卢晓伟;基于GPU的数据流处理方法研究[D];大连理工大学;2010年
6 梁霞;基于GPU的H.264并行解码器设计[D];大连理工大学;2010年
7 李新友;基于定向滤波的非真实感动画研究[D];辽宁师范大学;2010年
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9 付浩生;交互式海洋动漫平台场景特效制作[D];中国海洋大学;2010年
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李亚峰;王永滨;;基于图形硬件加速的并行绘制[J];中国传媒大学学报(自然科学版);2008年04期
2 徐品;蓝善祯;刘兰兰;;利用GPU进行通用数值计算的研究[J];中国传媒大学学报(自然科学版);2009年02期
3 李立新;叶剑;余洋;;基于GPU的MD6算法快速实现[J];北京工业大学学报;2010年05期
4 王锡钢;任伟;李青元;朱翊;孙立坚;;基于K-means聚类距离准则的R树结点分配算法研究[J];测绘科学;2006年05期
5 张韵;;基于CUDA的并行空间计算[J];测绘科学;2010年06期
6 王赞;许超;薛翔;;ACIS与HOOPS图形平台的交互[J];成组技术与生产现代化;2006年01期
7 李绍民,滕国库;嵌入式图像采集系统的硬件设计[J];大连海事大学学报;2004年02期
8 李建明;万单领;何荣盛;钱昆明;;一种基于GPU加速的图像颜色传递算法[J];大连理工大学学报;2008年02期
9 张凤梅,洪运国;Linux下的多线程编程方法研究[J];大连民族学院学报;2005年01期
10 葛研军,卢碧红,王启义;光线跟踪长方体求交高效算法[J];大连铁道学院学报;2000年03期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 刘伟峰;蒋楠;宋付英;孟凡密;陈芳莉;;图像处理的GPU加速技术研究与评价[A];第十四届全国图象图形学学术会议论文集[C];2008年
中国博士学位论文全文数据库 前8条
1 董鹏;分布式空间信息的高效查询与分析系统研究[D];中国科学院研究生院(遥感应用研究所);2003年
2 张立强;构建三维数字地球的关键技术研究[D];中国科学院研究生院(遥感应用研究所);2004年
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4 杜莹;全球多分辨率虚拟地形环境关键技术的研究[D];中国人民解放军信息工程大学;2005年
5 吴仲乐;数字脑—计算解剖学方法及GPU技术应用的研究[D];东南大学;2005年
6 陈雷霆;三维复杂场景实时绘制技术[D];电子科技大学;2007年
7 陈皓;基于光子映射的虚拟现实真实感渲染算法研究[D];合肥工业大学;2008年
8 张天戈;基于模型驱动的面向对象应用程序框架的关键技术研究[D];复旦大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 顾军;R-Tree空间索引的优化研究[D];南京师范大学;2002年
2 英正明;硬件加速的CAD显示技术研究[D];浙江大学;2003年
3 单熙民;机械CAD中心数据库系统和特征建模系统的研究与开发[D];清华大学;1997年
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6 于守秋;基于GPU的实时视频艺术风格化系统[D];大连理工大学;2006年
7 方淳;多线程并行处理技术在五坐标数控加工仿真中的应用[D];西北工业大学;2006年
8 喻菡;遗传算法求解TSP的研究[D];西南交通大学;2006年
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10 马帅;CAD/CAID软件的应用现状及功能的比较研究[D];华北电力大学(河北);2007年
【二级引证文献】
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1 贺怀清;孙希栋;;基于GPU的光子映射并行化算法[J];计算机应用;2012年07期
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1 王晓飞;X射线胶片照相与数字成像的比对研究[D];中北大学;2012年
2 李万坤;工程制图软件中复杂文本及表格图形处理[D];大连理工大学;2012年
3 林乐森;基于OpenCL的AES算法并行性分析及加速方案[D];吉林大学;2012年
4 宋岸峰;实时数据并行压缩技术的研究[D];华中科技大学;2012年
5 朱王璋;多源海量地理栅格数据库引擎技术研究[D];北京建筑大学;2013年
6 郝冬宁;基于并行的分布式处理及在渲染中的应用[D];江苏科技大学;2013年
【二级参考文献】
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1 苏玉民,黄胜,庞永杰,徐玉如,吴强;仿鱼尾潜器推进系统的水动力分析[J];海洋工程;2002年02期
2 庄越挺,刘小明,潘云鹤;一种基于视频的人体动画骨架提取技术[J];计算机研究与发展;2000年04期
3 王兆其,杨长水,高文;基于VRML的中国手语三维显示[J];计算机研究与发展;2003年03期
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5 刘军考,陈在礼,陈维山,王力刚;水下机器人新型仿鱼鳍推进器[J];机器人;2000年05期
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【相似文献】
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6 周友行;邹湘伏;何清华;;多臂机器人关节间的碰撞检测研究[A];中国工程机械学会2003年年会论文集[C];2003年
7 刘松林;刘晓平;廖祝华;;基于VR-CAD的碰撞检测方法在EAST三环套装虚拟仿真中的应用[A];全国第13届计算机辅助设计与图形学(CAD/CG)学术会议论文集[C];2004年
8 周水生;张惠娟;周利华;容晓锋;;碰撞检测的快速算法[A];中国电子学会第七届学术年会论文集[C];2001年
9 张欣;王重华;梁岗;;集装箱桥吊仿真训练器的开发[A];第五届全国仿真器学术会论文集[C];2004年
10 齐敏;郝重阳;佟明安;高晓滨;张先勇;淮永建;;碰撞检测理论与技术分析[A];中国体视学学会图像分析专业、中国体视学学会仿真与虚拟现实专业、中国航空学会信号与信息处理专业第一届联合学术会议论文集[C];2000年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 杨锋磊,周树远;“双碰”:安全标准的安全隐忧[N];中国经营报;2006年
2 信息产业部电信传输研究所 田辉 刘述;LAN到WAN以太网的飞跃[N];通信产业报;2004年
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4 本报记者 陈晓鹏;中国汽车战略错位之痛[N];财经时报;2005年
5 记者  张春兵;新安全标准影响车市?[N];上海金融报;2006年
6 周文颖;“双碰”标准出台 汽车安全成焦点[N];人民公安报·交通安全周刊;2006年
7 周树远,宁平;陆风汽车海外遇险 “碰撞门”事件警醒跟进者[N];中国经营报;2005年
8 周树远;华晨“解套”之困[N];中国经营报;2008年
9 本报记者 葛胜征;带着“枷锁”快跑[N];政府采购信息报;2008年
10 吉林 刘春鹏;巧学3D爆炸场景制作[N];电脑报;2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 杜鹏;柔性物体连续碰撞检测若干关键技术研究[D];浙江大学;2013年
2 熊玉梅;虚拟环境中物体碰撞检测技术的研究[D];上海大学;2011年
3 李艳波;虚拟手术中软组织建模与碰撞检测方法研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
4 陈明;增强现实虚实交互的若干关键问题研究[D];上海大学;2010年
5 纪峰;织物悬垂性静动态视觉仿真及效果评价[D];东华大学;2005年
6 魏迎梅;虚拟环境中碰撞检测问题的研究[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2000年
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8 李汉文;3D虚拟衣服动画系统关键技术的研究与实现[D];兰州大学;2012年
9 李洁;虚拟人及其在某型武器维修训练系统中的应用研究[D];南京理工大学;2010年
10 汪地;机器人远程监控系统的研究[D];上海大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 许周辰;基于Java ME平台2D手机游戏引擎设计与实现[D];西南交通大学;2009年
2 刘子强;虚拟装配的基础研究[D];哈尔滨工程大学;2004年
3 姜鹏程;优化的OBB碰撞检测算法研究[D];青岛大学;2005年
4 李建波;变形体的碰撞检测算法研究[D];青岛大学;2005年
5 沈照功;基于弹簧-质点模型的布料仿真研究[D];青岛大学;2005年
6 霍滨焱;基于图像空间的碰撞检测算法[D];哈尔滨工程大学;2005年
7 丁志磊;基于OBB包围盒的快速碰撞检测[D];兰州理工大学;2006年
8 朱元峰;可变体的实时碰撞检测方法的研究与应用[D];大连理工大学;2007年
9 林远山;基于三维引擎的吊装仿真系统研究[D];大连理工大学;2008年
10 赵森;碰撞检测中距离场算法的研究与应用[D];吉林大学;2008年
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