基于体素渲染的障碍物探测雷达数据可视化

探索一种新的基于体素模型的雷达地形数据三维表示方法,该方法将障碍物探测雷达获取的地形三维回波数据作为体素,通过有约束的自适应分形扩展方法进行空数据的插补,生成连续的三维地形数据,然后由6自由度体素描述方法进行三维模型的映射,解决三维绘制中的场景遮挡问题,最终通过纹理混合的实时渲染方式生成最终的三维地形图像。通过对实际数据验证表明,该方法可生成逼真的三维地形,相比O penGL的绘制方法,提高了雷达数据的可视化效率。     

基于GPU带有复杂边界的三维实时流体模拟

在GPU(graphics processing unit)上求解了复杂场景中的三维流动问题,充分利用了GPU并行能力以加速计算.与前人的方法不同,该方法对于边界条件的处理更为通用.首先,通过在图像空间生成实心的剖切截面构成整个障碍物信息图,算法使得流体计算与整个几何场景的复杂度无关,通过对各体素进行分类并结合边界条件,根据障碍物形成修正因子来修改对应的值;另外,采用更为紧凑的数据格式,以充分利用硬件的并行性.通过将所有标量的运算压缩到纹元的4个颜色通道并结合平铺三维纹理,减少了三维流场计算所需要的绘制次数.实验结果显示出算法的有效性和高效率.该算法可以实时计算并显示一个采用中等规模离散的复杂场景.     

基于速度变化空间的移动机器人动态避碰规划

研究了移动机器人对运动障碍物的动态避碰．针对以往速度障碍法在动态避碰应用中存在的问题,制 订了相应的改进方法．综合考虑障碍物速度的动态变化和碰撞时间、碰撞距离,在速度变化空间中,基于避碰行为 动力学原理,设计了新的优化评价函数,采用双障碍物检测窗口进行动态避碰规划．仿真实验表明,该方法有效地 克服了避碰规划的保守性,提高了机器人运动的安全性,并能实现对运动目标的及时追踪．     

基于相邻层间相似性和空体素跳跃的体绘制加速算法研究

Splatting是经典的基于物序的直接体绘制方法,运算数据量的多少制约着算法绘制图像的速度。为了进一步提升绘制速度,采用基于相邻层间相似性和空体素跳跃相结合的方法进行加速,在读取数据过程中对图片中的三维纹理数据进行筛选,并使用足迹表对筛选后的三维纹理数据进行二维投影,利用相邻层间相似性计算每一个点的灰度值,并根据灰度值将数据分类,算出对成像没有影响的空体素,跳过其绘制过程从而加速算法。实验结果显示,该算法能够在保证绘制图像质量的基础上,在一定程度上解决和改善Splatting算法数据的空间相关性和运算效率的问题。     

彩色体三维显示系统上基于GPU的实时均匀体素化算法

为了使基于旋转屏的彩色体三维显示设备在显示动态场景时实时且高分辨率、高质量地实现圆柱体空间彩色体素化,提出了一种基于GPU的算法.首先在长方体空间内完成对三维场景的实时彩色体素化,将生成的数据保存于多张纹理工作表中;然后采取多对多映射的方法对这些工作表进行重采样,得到该场景在圆柱体空间内均匀的彩色体素化结果.实验结果表明,该算法在GPU内完成,达到了实时性要求,并在基于LED旋转屏的体三维显示设备上获得了令人满意的三维虚拟场景再现效果.     

基于改进流体扰动算法与灰狼优化的无人机三维航路规划

针对复杂地形环境下的无人机三维航路规划问题, 提出一种基于改进的扰动流体动态系统与灰狼优化理论的混合航路规划算法. 构建改进的扰动流体动态系统数学模型, 通过修正初始汇流得到扰动流场, 流场流线即可看作规划航路, 能有效避免驻点、局部陷阱等问题. 通过模拟灰狼群体的等级制度和捕食策略, 并引入个体记忆功能和优胜劣汰选择规则, 对障碍物反应系数进行寻优. 仿真结果表明, 规划出的三维航路平滑、可飞, 具有良好的避障特性.

     

基于二维纹理样本的方向场引导的体纹理合成

提出一种考虑方向场的体纹理合成新方法.在二维纹理样本中搜索邻域,采用优化的邻域匹配算法逐个合成体素;在匹配二维纹理样本像素邻域和体素邻域时,考虑各体素上的方向,生成各向异性体纹理,并允许采用各向异性的二维纹理样本获得满意的合成结果.方向场可由过程式方法生成,也可由三维医学数据处理而得.实验结果表明,从动物的弥散张量图像得到的方向场能有效地合成真实的动物肌肉纹理,为计算机图形学提供了一种新的肌肉建模手段.     

一种三维建筑物模型自动纹理映射方法

针对三维模型纹理映射受观测视角及遮挡影响的问题,提出了一种基于高斯混合模型的纹理自动映射方法。首先在体素三维重建模型上,为每一个目标表面体素建立高斯混合模型来描述该体素的颜色在不同图像上观测值的分布;然后利用输入的序列图像及对应的相机参数,结合场景的可见性约束,用图像每一个像素的颜色信息更新三维场景模型中它所对应的体素的高斯混合模型;最后用高斯混合模型的期望估计体素的实际颜色纹理。结果表明,该方法可以得到准确精细的三维建筑物纹理模型。     

基于体素构造和遗传算法的三维模型检索

以体素构造三维模型原理为基础,阐述了体素的几何信息和体素间的拓扑关系及基 准问题,建立了三维模型特征提取函数,并对其旋转、平移和尺寸变化进行了经典不变矩处理, 提出了一种基于体素构造和遗传算法的三维模型检索方法。该方法通过对遗传信息编码,以及迭 代中的遗传信息交叉与变异,减小了检索区域的收敛速度,提高了检索准确率和检索速度。     

多智能体同时到达多目标点的协同强化学习算法

针对动态未知环境下多智能体多目标协同问题,为实现在动态未知环境下多个智能体能够同时到达所有目标点,设计函数式奖励函数,对强化学习算法进行改进.智能体与环境交互,不断重复"探索-学习-决策"过程,在与环境的交互中积累经验并优化策略,在未预先分配目标点的情况下,智能体通过协同决策,能够避开环境中的静态障碍物和动态障碍物,同时到达所有目标点.仿真结果表明,该算法相比现有多智能体协同方法的学习速度平均提高约42.86％,同时智能体能够获得更多的奖励,可以做到自主决策自主分配目标,并且实现同时到达所有目标点的目标.     

A model predictive obstacle avoidance method based on dynamic motion primitives and a Kalman filter

A dynamic motion primitive (DMP) is a robust framework that generates obstacle avoidance trajectories by introducing perturbative terms. The perturbative term is usually constructed with an artificial potential field (APF) method. Dynamic obstacle avoidance is rarely considered with this approach; furthermore, even when dynamic obstacles are considered, only the velocity and position information of the current state are incorporated into the obstacle avoidance framework. However, if the position of an obstacle changes suddenly, a robot may be placed in a dangerous position close to the obstacle, resulting in large obstacle avoidance accelerations, sharp trajectories, or even obstacle avoidance failure. Therefore, we present a model predictive obstacle avoidance method based on dynamic motion primitives and a Kalman filter. This method has three main components: Dynamic motion primitives are used to generate the desired trajectory and introduce perturbations to achieve obstacle avoidance; the Kalman filter method is adopted to estimate the future positions of the obstacles; and model predictive control is employed to optimize the repulsive force generated by the APF while minimizing the defined cost function, thus guaranteeing the safety and flexibility of the method. We validate the presented method with 2D and 3D obstacle avoidance simulations. The method is also verified with a real robot: the-Kinova MOVO. The simulation and experimental results show that the proposed method not only avoids dynamic obstacles but also tracks the desired trajectory more smoothly and precisely.     

海洋环境视景仿真方法研究

针对海洋工程领域仿真可视化的需求,系统研究了海洋环境的视景仿真方法。以三维图形高层开发环境——Vega软件为开发平台,基于honguet-Higgins海浪模型和纹理映射实现了动态海面仿真;基于“Environment Effect”仿真模块生成了海空效果,并设计运动路径,在场景中添加了飞翔的海鸟;利用三维建模、雾化、粒子系统等方法模拟了水下空间效果,利用Creator创建了海底地形模型,通过循环纹理映射实现了海底闪烁光斑的显示;对舰船尾流特效进行了仿真,并概述了各种海洋特效的仿真方法。应用于基于微机平台的虚拟海洋战场实时视景仿真软件中,生成的图像逼真,帧频高于30帧／秒。     

基于障碍物运动预测的移动机器人路径规划

针对移动机器人局部动态避障路径规划问题开展优化研究。基于动态障碍物当前历史位置轨迹,提出动态障碍物运动趋势预测算法。在移动机器人的动态避障路径规划过程中,考虑障碍物当前的位置,评估动态障碍物的移动轨迹;提出改进的D*Lite路径规划算法,大幅提升机器人动态避障算法的效率与安全性。搭建仿真验证环境,给出典型的单动态障碍物、多动态障碍物场景,对比验证了避障路径规划算法的有效性。     

基于分形几何的动态云模拟

云是一种重要的自然景观。对云彩的模拟在视景仿真系统、计算机游戏、三维动画中有着广泛的应用。该文针对目前一些云彩模拟方法中存在的实现复杂、计算耗时、图像分辨力不高且只能生成静态云等问题，提出了一种在分形几何的Diamond—Square算法中采用改良的随机数发生器和顶点扰动、纹理运动结合模拟实现动态云的方法。基本思想是通过运用二次随机法构造改良的随机数发生器，并把它应用到分形几何的Diamond—Square算法中生成逼真的静态云图，然后通过顶点扰动、纹理运动结合模拟实现动态云。最后运用VC＋＋和OpenGL开发工具实现了云的动态模拟。结果表明，该方法实现简单，可获得实时、逼真的动态云效果。     

基于Creator的无人飞行器三维建模和优化技术研究

随着计算机技术、信息技术的快速发展,三维可视化技术已广泛应用于无人飞行器可视化仿真领域.Creator软件是视景仿真业界普遍使用的实时可视化三维建模软件,软件提供了强大的建模功能,能够实现动态系统建模和仿真.本文着重讨论了应用三维建模软件Multigen Creator建立如无人飞行器、发射车、场景地形等三维模型的具体应用,并对三维模型进行了优化和仿真.实践表明,通过使用减少冗余面、实例化、贴图映射技术能够很好地优化模型,使三维模型逼真性和实时性俱佳.     

Optimization-Based Safety Analysis of Obstacle Avoidance Systems for Unmanned Aerial Vehicles

The integration of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) in airspace requires new methods to certify collision avoidance systems. This paper presents a safety clearance process for obstacle avoidance systems, where worst case analysis is performed using simulation based optimization in the presence of all possible parameter variations. The clearance criterion for the UAV obstacle avoidance system is defined as the minimum distance from the aircraft to the obstacle during the collision avoidance maneuver. Local and global optimization based verification processes are developed to automatically search the worst combinations of the parameters and the worst-case distance between the UAV and an obstacle under all possible variations and uncertainties. Based on a 6 Degree of Freedom (6DoF) kinematic and dynamic model of a UAV, the path planning and collision avoidance algorithms are developed in 3D space. The artificial potential field method is chosen as a path planning and obstacle avoidance candidate technique for verification study as it is a simple and widely used method. Different optimization algorithms are applied and compared in terms of the reliability and efficiency.     

基于重复纹理映射的动态云实时模拟研究

云是一种常见、普遍的自然现象,云的建模和渲染是计算机图形学领域的一个难点问题。利用重复纹理映射技术将多幅二维纹理图片加以组合,对三维动态云进行建模,通过瞬时对云进行平移、缩放等操作来模拟云的动态变化,进一步采用Alpha色彩融合技术模拟动态云的聚集、消散以及受到风力影响后云的形态变化等效果,通过采用多层重复纹理映射的叠加模拟层云,取得了很好的动态云模拟效果。所提出的动态云的建模方法简单,避免了大量繁琐的计算,提高了动态云的生成速度,满足了动画等应用场景中对动态云的实时性要求。实验结果验证了所提出的动态云建模方法和渲染生成方法的有效性。     

架空输电线路巡线机器人的视觉导航

巡线机器人沿相线行走时必须探测识别和定位各种障碍物,并根据障碍类型规划越障行为。针对220 kV架空输电线路的结构特点,利用视觉传感器,设计了基于结构约束的障碍识别算法,完成了障碍识别和分类。根据障碍物的结构特点,设计了一种自适应多窗口区域立体匹配算法,实现了障碍物的双目视觉定位。模拟线路实验结果表明,算法能可靠地从复杂背景中识别并定位出防振锤、悬垂线夹和耐张线夹等障碍物,满足了巡线机器人导航要求。     

Modeling and rendering of realistic waterfall scenes with dynamic texture sprites

We propose an efficient approach for authoring dynamic and realistic waterfall scenes based on an acquired video sequence. Traditional video based techniques generate new images by synthesizing 2D samples, i.e., texture sprites chosen from a video sequence. However, they are limited to one fixed viewpoint and cannot provide arbitrary walkthrough into 3D scenes. Our approach extends this scheme by synthesizing dynamic 2D texture sprites and projecting them into 3D space. We first generate a set of basis texture sprites, which capture the representative appearance and motions of waterfall scenes contained in the video sequence. To model the shape and motion of a new waterfall scene, we interactively construct a set of flow lines taking account of physical principles. Along each flow line, the basis texture sprites are manipulated and animated dynamically, yielding a sequence of dynamic texture sprites in 3D space. These texture sprites are displayed using the point splatting technique, which can be accelerated efficiently by graphics hardware. By choosing varied basis texture sprites, waterfall scenes with different appearance and shapes can be conveniently simulated. The experimental results demonstrate that our approach achieves realistic effects and real‐time frame rates on consumer PC platforms. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于三维纹理的实时流体模拟

本文描述了一种利用基于Open GL三维纹理实现的直接体绘制方式显示流体模拟结果的方法。以JosStam的二维流体模拟模型为基础，扩展出三维流体模拟的模型；然后通过将密度场映射到三维纹理空间，实现实时的显示；并通过引入全局光照模型，得到真实感的渲染效果。最后通过与粒子系统进行对比，分析了本方法的显示效果优势。