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基于虚拟现实的驾驶模拟器视景系统关键技术与艺术研究

李勋祥  
【摘要】: 基于虚拟现实的驾驶模拟器视景系统,又称为驾驶模拟器(Vehicle Simulator),或模拟驾驶视景系统。它是一种能正确模拟虚拟驾驶动作,获得真实驾驶感觉的仿真设备,是以虚拟现实为特点的驾驶模拟操作软硬件技术的系统化封装。它集成了传感器、计算机、三维实时动画与视景仿真、计算机接口、人工智能、数据通信、网络、多媒体等先进技术与手段,以及人机工程学的理论与方法。本学位论文以驾驶模拟器的视景系统作为研究对象,针对目前国内外模拟器中普遍存在的缺陷或不足而展开。 论文对多种建模理论与方法、纹理与特效、基于沉浸感的分布式多通道屏幕显示、基于分布式的虚拟交互技术与碰撞检测算法进行了系统、深入的研究,并在驾驶模拟器开发过程中得实际应用,效果良好。论文取得的成果和创新点主要有: 1、深入研究了图象建模与几何建模相结合的建模方法,实现了以较少的系统消耗达到更加真实的视景仿真效果;采用基于Cg的“Shader”新技术,构建了一个优化和高逼真度的虚拟视景环境,并实现了虚拟环境中的动态流体特效和多层次纹理细节级别的良好效果。 2、视景系统的特效技术研究,包括基于环境的粒子特效(如雾、雨、雪)的模拟,声音效果,GPS、仪表指示器仿真,基于全局光照的烘焙渲染技术等等,增强了驾驶模拟器视景仿真系统的可视化效果。 3、自主研发了基于计算机群集的多通道屏幕投影与显示技术,实现了柱形、Cube(或Cave)、矩形拼接等高质量的多通道屏幕投影构架的分布式显示,满足了沉浸式虚拟驾驶演示环境的特殊要求,具有推广价值。 4、实现了基于网络的分布式多客户、同场景的交互驾驶与实时通讯对话;解决了在虚拟城市交通中的红绿灯信号系统问题;实现了汽车在交通事故中损伤的实时、可视化表达和行车的真实感。 5、从艺术特征与审美意蕴的角度,实践虚拟视景系统设计中的艺术与美学相结合的理念,为视景系统的开发与虚拟体验提供了艺术与美学领域的理论支持。 本学位论文所论述的有关艺术与美学等方面的理论主要是以基于虚拟现实技术的驾驶模拟器视景系统的开发为依托,但同样适用于所有其它虚拟现实或非虚拟现实技术的数字化图形艺术设计。驾驶模拟器视景系统的交互控制是一种量化的程序,离不开科学的理念和尖端的技术;然而,虚拟可视化效果的处理具有更多的不确定因素,需要的是直觉,这便是艺术的范畴。如果虚拟视景系统的开发能结合艺术设计中的美学,把审美体验融合于视景沉浸与交互的整个过程,将大大拓展虚拟现实视景仿真系统的技术内涵,能更好地体现“以人为本”的思想。这是一个艺术与科学相结合的理念,是笔者的研究课题——基于虚拟现实的驾驶模拟器视景系统开发的理论指导思想。


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