面向数字地球的虚拟现实系统关键技术研究

研究了面向数字地球的虚拟现实系统关键技术，提出了多层场景引擎（MLSE）、视点相关动态多分辨率地形模型（VDDMTM）和ActiveX构件网络模型。MLSE采用层机制集成多元数据，实现场景绘制和交互。VDDMTM基于四叉树表示多分辨率地形，并结合多分辨率纹理映射，根据视点位置对大规模地形实时简化，既提高了场景绘制速度，又保留了视点相关细节。网络模型采用基于Client/Server结构的ActiveX构件方案，既满足数字地球的建模特性，又支持标准的WWW浏览器。在此基础上开发了一个面向数字地球的原型系统－虚拟地球系统VES（VirtualEarthSystem），并用于虚拟永定河和喜马拉雅山。     

基于Virtools平台的森林仿真风效技术研究

森林场景的仿真是对复杂环境仿真中的重要部分。建立具有沉浸感、高逼真度的森林场景,除了高真实感的树木及花卉等植被,同时需考虑风效等影响森林场景逼真度的自然因素。为快速绘制具有真实感的大规模虚拟森林场景,围绕Virtools虚拟现实仿真平台使用树木三维模型进行实时交互的要求,制作插件结合SpeedTree树木软件绘制森林场景制作仿真系统,通过实验室仿真研究常见的风速模型分析比较,提出适合实时植被绘制的森林仿真风速模型,对应用风速模型的森林场景风效进行实验验证。     

虚实融合场景中的深度感知研究综述

混合现实系统可以提供虚拟信息和真实环境实时叠加的虚实融合场景,在教育培训、文物保护、军事仿真、装备制造、手术医疗和展览展示等领域具有十分广阔的应用前景。混合现实系统首先利用标定数据构建虚拟摄像机模型,然后根据头部跟踪结果和虚拟摄像机位置实时绘制虚拟内容并将其叠加在真实环境中,用户通过虚实融合场景中渲染的图形化线索和虚拟物体特征感知其深度信息,但存在用于指导虚实融合场景绘制的视觉规律和感知理论匮乏、图形化线索可提供的绝对深度信息缺失和虚拟物体的渲染维度和特征指标不足等问题。本文分析了面向虚实融合场景绘制渲染的视觉规律,从用户感知的角度出发,围绕虚实融合场景中图形化线索绘制和虚拟物体渲染等展开综述,并对虚实融合场景中深度感知的研究趋势和重点进行展望和预测。     

大场景虚拟仿真平台设计与实现

简要介绍了基于实景三维地理信息技术及虚拟现实技术,利用通用三维渲染引擎实现的大场景虚拟仿真平台,重点探讨海量数据管理、多层地形渲染等大场景虚拟仿真的关键技术,并利用该平台实现了消防模拟演练及会商决策平台的原型。     

基于OSG的飞机3D维修多场景动态调度方法

以开源图形软件OpenSceneGraph作为底层渲染引擎,结合分页调度技术及多线程渲染策略,建立3D维护场景树,提出一种针对多个3D场景的动态调度方法,并使用多线程渲染方式对场景进行实时绘制,使各场景数据分批进入内存并实现实时卸载,改善内存使用率过高和场景绘制时帧速过低等关键问题。该方法应用于3D飞机维修仿真软件开发,与常规方法对比证明了这种方法的有效性。     

基于Multigen VEGA的碰撞检测技术

在虚拟场景漫游过程中要获得更强的沉浸感和更好的真实感,必须进行碰撞检测。基于碰撞检测理论和技术的基础上,论述了虚拟现实引擎Vega中的碰撞检测方法,实现了Vega环境中虚拟场景的仿真和系统的实时漫游。     

面向虚拟场景的深度全景视频绘制技术

高度复杂的三维场景通常包含几千万甚至上亿个三角形和丰富的纹理,大大超过了目前图形硬件的处理能力。传统基于几何的绘制系统通过牺牲画面质量来实现场景的快速绘制。与此不同,基于图像的绘制技术利用逼真的图像序列来生成高质量的目标画面。研究面向虚拟场景的IBR(Image-Based Rendering)技术来克服现有方法的不足,提出以深度全景视频DPV作为场景表示的基本单元,通过多段深度全景视频组成的深度全景视频网络来表示虚拟场景的漫游区域,它允许视点在漫游平面的封闭区域内连续运动。绘制算法根据目标视点参数计算深度全景视频环中对目标图像有贡献的候选区域,综合利用GPU的强大处理能力和浮点格式的绘制目标,以及多幅深度图像混合绘制技术对候选区域进行绘制来生成目标图像。实验结果表明,深度全景视频绘制技术可实现大规模虚拟场景高质量实时绘制。     

虚拟手术中血流特效场景仿真的研究

血流特效场景可以增强虚拟手术的真实感。虚拟手术中的血流特效场景包括了有交互的血液模拟及血管壁模拟。首先基于光滑粒子流体动力学,使用Physx物理引擎模拟血液流动的物理形态,并利用Screen Space Flow算法对血流表面进行实时渲染。然后基于质点-弹簧模型,提出使用Physx物理引擎模拟可交互、有弹性形变及可切割的血管壁。最后实现两个实验场景:场景一实现肺动脉内大规模血液流动的特效;场景二实现在用户交互下的血管壁形变和切割,并通过触发事件实现血管壁破裂流血的特效。实验结果表明,该血流及血管壁模拟方法在40 000个粒子下仍能保证实时绘制,满足虚拟手术的需求。     

面向柔软样品的AFM纳米操作可视化系统

在对细胞、生物大分子等柔软样品进行纳米操作时,原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)面临缺乏实时视觉反馈的问题.为此,搭建了一套面向柔软样品的AFM纳米操作可视化系统.具体而言,首先建立了AFM形貌图像坐标系到虚拟场景坐标系之间的映射关系,从而得到虚拟场景中样品的顶点信息,进而通过3维图形引擎渲染样品的虚拟形貌.在此基础上,提出了一种基于接触力学理论的样品形变估计和仿真方法,对探针按压导致的样品形变进行了虚拟视觉反馈,从而使得刻画的虚拟形貌能够和样品的真实形貌保持一致,并准确地还原按压过程中样品表面的形貌变化.仿真和实验结果表明,所设计的纳米操作可视化系统能够在虚拟场景中实时呈现AFM纳米操作过程.     

基于GPU的烟雾数据体面混合绘制技术研究

研究烟雾等大规模体数据在虚拟场景中实时可视化的技术是一种新的体面混合绘制技术,在灾害现象仿真中有着重要的应用。在处理体面混合绘制时,已有的绘制算法难以实时地处理体数据的遮挡和裁剪,并在内窥绘制中出现片元空洞。针对以上问题,提出一种基于GPU的体面混合绘制算法,将体数据视为参与介质,同时将面绘制的结果作为体绘制的积分域约束条件,从而把面绘制中的裁减算法推广到体数据的绘制中,实现了体面混合绘制的无缝融合。仿真结果表明算法能够实时地绘制虚拟场景中的大规模体数据,并且能够处理复杂的内窥效果。     

Creator／Vega Prime在船舶动力装置视景仿真系统中的应用

介绍了目前流行的视景仿真软件Creator和VegaPrime及其开发流程。介绍了进行三维建模过程中的纹理贴图技术和层次细节（LOD）技术等,利用VegaPrime实现了船舶虚拟机舱的漫游方法以及漫游过程中的碰撞检测技术等。开发出船舶机舱虚拟现实仿真系统,建立了逼真的船舶机舱虚拟场景,实现了人在虚拟机舱环境中的漫游,以及对虚拟场景中主要运动部件进行驱动。     

基于Vega的虚拟现实系统漫游引擎

分析虚拟现实系统漫游引擎的设计与实现，提出基于Vega的视点与场景的碰撞检测算法，讨论用鼠标和键盘控制虚拟场景的带碰撞检测的漫游引擎，并把该漫游引擎应用到虚拟校园漫游系统的开发，取得预期的效果．     

基于语义虚拟环境的虚拟人动画研究与实现*

现有虚拟环境建模（如VRML/X3D）主要集中在几何图形的描述,所显示的虚拟场景对于人是可理解的,但对于计算机是不可理解的,因而难以作有意义的自动处理。基于语义Web设计了一个语义虚拟环境（主要包括语义虚拟场景和语义虚拟人）,并设计了基于语义虚拟环境的虚拟人动画引擎。语义虚拟环境使得计算机能够理解和自动处理虚拟环境的语义信息,并且使得虚拟环境系统具有可重用性、可扩展性和可集成性。最后,在语义虚拟环境和虚拟人动画引擎的基础上开发了一个办公室场景中智能虚拟人行动推理的系统,取得了很好的效果。     

港口机械远程虚拟监控系统研究

结合虚拟现实技术实现基于传感器数据驱动的港口机械群远程监控。采用3DMax和Pro/Engineer等工具建立完整的港口场景和港口机械模型库,利用DirectX开发虚拟场景渲染引擎,通过现场总线和无线传感器网络采集港口机械的位置、姿态和运行状况信息,并据此在渲染引擎中实时驱动虚拟模型。实现一个具有高度沉浸感和交互性的三维港口机械群实时监控环境,并利用中心数据库的专家诊断系统和Web Service技术实现故障预警和故障诊断。     

工程结构虚拟装配引擎的动画设计实现

为了对工程结构的装配施工过程进行仿真,设计实现了虚拟装配引擎OpenWorld。本文论述了该引擎采用的实体层次结构建模和模型支持系统,提出了将场景分为世界场景和独立场景集合的渲染方式,并设计实现了一套可编辑的XML动画格式标签。利用该引擎设计完成的虚拟装配软件对工程设备的装配起到了成功的指导作用,减少了装配过程中的误操作。     

基于游戏引擎的三维虚拟漫游系统实现

三维虚拟环境漫游是虚拟现实技术应用的基本方向之一,具有重要的研究意义与应用价值。基于成熟的游戏引擎技术,提出一个具有较强通用性和可扩展性的三维虚拟漫游系统开发框架,并从3D场景快速构建、3D场景实时绘制、高级视觉特效生成和基于物理的场景模拟等四个方面详细介绍了该框架的关键技术实现。通过对系统原型的测试表明,采用该开发框架所构建的三维虚拟漫游系统可在一般的普通主流PC机上达到较好的性能和表现效果。     

多用户虚拟校园漫游系统的设计与实现

以北方工业大学的数字化和虚拟化为目标,结合虚拟现实技术,利用Lyinux商业引擎,建立多用户虚拟校园漫游系统,实现交互漫游、全景导航、实时聊天等功能。重点研究提高虚拟场景渲染速度和实现多用户之间的同步。该系统在交互性、渲染速度和真实感等方面取得很好的效果。     

一种用于虚拟校园漫游的三维引擎的研究

在对三维引擎技术OSG进行分析和研究的基础上,提出并实现了一种用于虚拟校园漫游的三维引擎系统,该系统使用OSG所提供的类和接口,实现了虚拟校园场景的渲染以及漫游的交互控制功能,同时在引擎中添加了语音介绍功能,丰富了浏览者的视听感受。实践证明,该引擎具有良好的移植性与通用性,为虚拟校园漫游技术向虚拟校园系统和虚拟学习平台方面的迁移提供了支持。     

ObjectGAN：自动驾驶评估数据集构建

自动驾驶评估数据集的构建在很大程度上取决于能否覆盖复杂多样的交通场景。但是通过人工获取数据工作量巨大,且难以覆盖所有场景,在这种情况下,虚拟引擎可以提供极大的便利。利用UE4（Unreal Engine 4）虚拟引擎构建常见驾驶场景,并结合设计的后处理系统和自动标注算法高效获取、标注复杂场景图像。针对虚拟引擎生成图像逼真度不足这一问题,搭建ObjectGAN域适应模型,基于虚拟数据重建逼真图像,该模型针对目标数据,引入特征一致性监督,无须另外标注信息便可有效缩小与真实数据间域差异。创建了一个新颖的复杂场景虚拟自动驾驶数据集,其中包含多种天候、光照、驾驶场景数据。通过该数据集验证ObjectGAN模型可以有效缩小虚拟数据与真实数据间域差异,经过域适应处理后的数据可以在复杂场景中对主流检测器进行有效的性能评估。