大規(guī)模裝配場景仿真關鍵技術研究.pdf

1、大規(guī)模裝配場景仿真是計算機圖形學與虛擬現實技術中非常重要的研究課題。隨著數字化設計、數字化工廠的廣泛應用,三維模型的渲染作為它們的關鍵支撐技術,被賦予了更高的要求。此外,軍事上的虛擬作戰(zhàn)系統、工業(yè)界的虛擬制造系統和娛樂界的三維動漫游戲無不要有一個強大而快速的場景渲染引擎,但是與日俱增的場景數據給這項技術的進一步應用帶來了障礙。為了解決大規(guī)模裝配場景仿真中所出現的各種問題,本文主要從以下幾個方面進行研究:
　　針對大規(guī)模裝配模型中幾

2、何數據信息過大的問題,提出了裝配模型輕量化方法。首先對三維建模軟件進行二次開發(fā),遍歷裝配體的層次結構樹,找出裝配體中的所有零件模型,計算其位姿信息并將其導出為網格模型,實現了實體模型向網格模型的轉換。然后從導出的網格模型中選擇需要簡化的子裝配體,利用OpenGL函數庫對其從多個視點進行無光照渲染,統計分析多次渲染結果,判斷出子裝配體中隱藏的零件和面片。對于隱藏的零件,直接從子裝配體中剔除;對于隱藏的面片,則采用邊折疊的方法進行簡化。

3、r>　　針對大規(guī)模裝配場景仿真中碰撞檢測計算量大的問題,設計了基于層次包圍體(HierarchicalBoundingVolumes,BVH)的碰撞檢測算法流程,并對運動物體的BVH構建算法進行了研究。BVH構建算法的難點在于節(jié)點分割面的選擇,本文通過分析最優(yōu)BVH的構建標準,提出了節(jié)點最優(yōu)分割所在子區(qū)間的計算方法,減少了最優(yōu)分割面的查找時間,從而提高BVH的構建效率;為消除因BVH重建時間過長而造成的仿真系統陷入臨時性中斷的問題,本文

4、采用多線程的方法異步重建BVH,在兩次BVH重建的時間段之內,本文設計了兩種BVH調整操作,有效的提高了調整后的BVH碰撞檢測效率。
　　針對光線跟蹤渲染計算量較大,很難滿足實時交互式渲染需求的問題,設計了基于CUDA(ComputeUnifiedDeviceArchitecture)的光線跟蹤渲染算法流程。當前的光線跟蹤渲染算法中,95％的時間用于計算光線與面片的交點,而在GPU中實現基于BVH的光線與面片求交計算的主要問題是無

5、堆棧遍歷BVH結構。本文通過在BVH節(jié)點中添加指向父節(jié)點的指針和節(jié)點類型標記,實現了無堆棧遍歷過程。另外,為減少GPU程序的數據讀取時延,采用紋理存儲器來保存幾何數據及其BVH結構。從CPU內存向GPU內存拷貝數據時,本文提出用數組索引來代替指針,較好的解決了指針對象的拷貝問題。
　　針對大規(guī)模裝配場景渲染速度慢的問題,設計了基于延遲著色的并行渲染算法?，F有的并行渲染架構在復雜光照計算條件下很難實現渲染節(jié)點之間的負載平衡,而且對大

6、規(guī)模裝配場景進行渲染的時候,每一幀都有大量的圖元是不可見的。采用延遲著色的方法可以避免對不可見圖元的著色工作,從而提高大規(guī)模裝配場景的渲染效率。現階段延遲著色主要通過兩次渲染的方法來實現,這樣就可以將渲染步驟中的幾何處理與像素著色分隔開來,再把兩階段的任務均勻分配到集群系統的渲染節(jié)點,最終實現復雜光照計算條件下的渲染任務均勻分配。
　　針對高功率激光驅動器裝置數字化仿真項目需求,綜合運用本文的研究成果,開發(fā)了大規(guī)模裝配場景仿真原型