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基于Voronoi图的虚拟场景漫游关键技术研究

王筱婷  
【摘要】:近年来,虚拟现实技术在军事、航空航天、医学、教育、游戏等领域得到广泛应用。其中,虚拟博物馆等三维虚拟室内场景不断涌现,使得人们进行参观学习时不再受地域、时间、空间的限制。 为了在虚拟场景中达到漫游的实时性、真实性,需要研究有效的虚拟场景组织方法、可见性计算、路径规划以及虚拟替身的真实感动作合成等关键技术。对于复杂场景,建立优化的场景表示模型是加速实时漫游的重要方面。场景的组织应当有利于漫游系统中其他问题如路径规划、碰撞检测、可见性计算、光照计算的实现。路径规划问题是虚拟场景交互漫游研究的一个内容。用户浏览目的不同,需要不同的路径规划方法,使虚拟替身沿不同的路径漫游。另外,目前虚拟场景漫游系统大多是以箭头指示进行浏览,缺乏用户的代入感,有些即使在虚拟场景中放置了虚拟替身,但是虚拟替身只做平移运动或者运动效果单一。因此可以在漫游系统中引入具有真实动作的虚拟替身来增强漫游的真实感。在漫游过程中,由于视角的原因,场景内的大部分内容是不可见的。进行可见性判断,只绘制场景的可见区域,是保证漫游实时进行的不可缺少的条件。 为此,本文针对可以提高虚拟室内场景漫游系统的真实性、实时性的若干关键技术进行探讨,着重对于场景组织、路径规划、可见性计算以及虚拟替身运动合成等若干关键问题展开研究,使用户在虚拟场景中漫游时具有更真实的体验。 本文主要研究内容与贡献如下: 1)提出基于多边形Voronoi图的三维室内虚拟场景组织方法 根据三维室内场景的特点,提出了基于Voronoi图的三维室内场景的组织方法,以多边形的Voronoi图为基本数据结构,基于其最邻近性、骨架特性等性质,将虚拟场景的表示、数据组织、路径规划以及可见性计算等问题通盘考虑,系统地设计各类算法,从整体上节省空间,实现算法间的协同,提高算法的效率。 2)提出基于多边形、Voronoi图的路径规划方法 在虚拟场景中,需要提供不同的运动轨迹,包括随机路径、可避免两侧碰撞的、Voronoi骨架路径、用户给定起点和终点之间的最短路径以及曲线运动路径等。本文主要研究如何快速计算多边形中的Voronoi骨架路径和最短路径,提出了基于层次Voronoi图的复杂多边形中最短、Voronoi骨架路径和最短路径的计算方法。对于多边形中的任意两点,它们之间的最短Voronoi骨架路径可以在O(k+hlogh+logn)时间求出;它们之间的最短路径可以在O(m+h2logh+hlog(n/h)+logn)时间内求出。其中,n是多边形顶点的个数,h是多边形所含“洞”的个数;k是最短、(?)Voronoi骨架路径中Voronoi边的数目,并且O(k)≤O(n);m是最短路径中边的数目,并且m≤n。 3)提出基于多边形Voronoi图的曲线路经可见性计算方法 可见性计算在加速场景绘制中起到非常重要的作用。本文提出一种基于多边形Voronoi图的NURBS曲线的弱可见性计算方法,并给出计算沿曲线运动点的可见多边形的方法。基于该方法,对于给定的任意一条运动曲线轨迹,可以预先计算出沿该曲线的弱可见区域,并在实际漫游中,只在该弱可见区域内计算沿该运动轨迹移动的视点的可见区域,将大大减少计算量,提高绘制速度。另外,用户在交互设计漫游路径时,可以实时显示出所设计路径曲线的潜在的可见区域,支持用户有效地调整漫游路径,使其能够覆盖要观察的区域。 4)提出数据驱动的虚拟替身动作合成方法 为了增强真实感,本文在虚拟场景中加入虚拟替身,研究如何使虚拟替身在沿场景中的特定曲线路径进行漫游时,其动作具有真实感。为此,给出一种基于运动捕捉数据和运动图的实时合成虚拟替身动作的方法,以少量捕捉样本数据作为输入,通过运动图的方法合成新的运动动作,以便使虚拟替身沿给定的运动轨迹运动时,其动作具有较高的真实感。 在未来工作中,将基于本文研究成果,研究曲线多边形的Voronoi图及其应用算法。


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