基于场景图系统的虚拟环境生成真实感问题研究

【摘要】： 虚拟环境生成是虚拟现实应用的基础和保障,实时性和真实感是虚拟环境生成的两个基本要求。即使在计算机硬件处理能力,特别是图形硬件性能突飞猛进的今天,虚拟环境的真实感和实时性要求之间也必须采取某种程度的折衷。在虚拟环境生成领域,保留模式下的场景图系统已经成为事实上的主流解决方案。本文的主要研究目的就是面向场景图系统在保证实时性的前提条件下,尽可能的提高虚拟环境生成的真实感。 本文主要研究内容包括虚拟环境生成中的光照真实感和运动真实感两个关键问题:在光照真实感方面,本文又将其分为两个子问题来解决,一是研究如何在场景图系统中利用基于可编程图形处理器的像素级着色处理技术进行实时渲染以获得更好的视觉外观,二是研究如何在保留模式下的虚拟环境中实时的生成高质量的动态阴影效果。对于虚拟环境的运动真实感方面的研究,主要解决如何面向场景图系统针对虚拟环境中刚体对象的动力学建模问题,从而保证虚拟环境中的运动一致性。 本文的主要贡献包括以下几个方面: 1)面向通用场景图系统,引入了一种新的支持高级着色语言的可编程节点类型,基于可编程图形硬件设计并实现了一种实时像素级光照方法,弥补了仅能支持传统顶点光照的通用场景图系统的不足,在很大程度上改善了虚拟环境中模型对象光滑表面的视觉外观。 2)利用本文提出的基于图形处理器的实时像素级光照技术,通过对标准局部光照模型的改进,在场景图系统中实现了一种增强的基于法线贴图的实时凸凹映射方法,从而极大的改善了通用场景图系统生成的虚拟环境中模型对象粗糙表面的表现能力。 3)对实时阴影生成算法,特别是基于图像空间的阴影图算法进行了深入研究,针对虚拟环境动态阴影实时生成的实际问题,通过对光源空间透视阴影图算法的改进和优化,面向场景图系统提出并实现了一套完整的实时阴影生成算法,同时充分利用本文实现的场景图中的可编程节点功能,在很大程度上改善了虚拟环境生成中的光照真实感问题。 4)借鉴场景图的思想,对基于场景图系统的刚体运动建模方法进行了研究,提出了面向刚体碰撞处理的物理空间场景图概念。面向通用场景图系统提出并设计了一个实时刚体动力学仿真模拟框架,最后针对通用场景图系统给出了基于开源动力学引擎的模块化实现,解决了虚拟场景中的刚体动力学模拟问题,对虚拟环境的运动真实感进行了有益的探索。