三维可视化服务平台关键技术研究及应用随着计算机图形学技术的发展和三维引擎技术逐步完善,三维可视化应用已渗透到日常生活和工作中,对三维应用的需求与日俱增。

在建筑、交通、电力、安监、环保、军工等多个领域,三维可视化都有广泛的实际应用并具有前所未有的全新体验。

三维可视化系统将多种复杂信息融汇在虚拟仿真环境之中,充分利用了空间的第三个维度,自然呈现三维形体的复杂信息,提升了信息交互的及时性和准确性。

由于对三维可视化应用的实时性和真实感的要求逐渐增高,更优化的可视化系统架构和实时渲染算法的研究成为了研究重点。

亟需构建一套完善的可视化系统应用架构,能够支持动态构建应用模型,为具体应用提供便捷的运行管理模式,能够降低三维可视化应用的门槛,并且加快其研发的进度。

此外,还能够完善动态场景的管理,提高场景结构的组织效率,完善三维场景实时渲染(在交互的实时性和场景真实感方面)。

针对上述需求和问题,本论文在国家科技重大专项及相关项目支持下,对三维应用服务平台关键技术展开研究,具体研究工作:1.三维可视化服务平台的管理模型。

建立一套完善的可视化系统应用架构,支持动态构建应用模型,加快三维可视化应用的研发进度,降低三维可视化应用的门槛。

本论文提出基于三维可视化服务平台的管理模型,首先分析了传统的三维应用程序构建方法、三维引擎及其内核,围绕课题项目背景,提出了三维可视化服务平台架构。

在此基础上,围绕三维可视化服务平台核心控制,提出基于角色、组件、消息(ACM)模型,能够有效管理角色、组件等资源及通信控制。

为满足动态构建三维应用的需求,采用“模型-实例”思想,提出了角色模型
(模型-算法-属性-消息)和运行管理模型,能够动态绑定角色算法和数据属性,形成可配置管理模式及运行工作机制,并给出了如何快速构建三维可视化应用逻辑流程。

同时,本论文考虑多终端可视化应用模式需要,采用改进的负载均衡策略完善多终端应用模式。

最后将三维可视化服务平台的管理模型应用于三维应急救援模拟演练系统。

实验证明,本论文提供的方法支持动态构建三维应用,能够为具体三维应用提供便捷的管理模式,有效提高三维可视化应用的开发效率,满足多终端可视化应用需要。

2.基于自适应二叉树和场景图的场景管理方法。

场景管理技术是虚拟现实及可视化关键技术之一,也是三维可视化服务平台的关键技术。

为解决加速室内外物体的实时渲染、如何有效精准地实施场景空间剖分及提高场景结构的组织效率等难题,通过研究传统的场景管理技术并结合应用需求,本论文提出一种基于自适应二叉树和场景图的场景管理方法。

首先,阐述了自适应二叉树的剖分算法,引用分割平面评分标准,形成自适应的行为,通过搜索有效分割平面算法,提高分割的有效性,有利于后续渲染。

其次,利用自适应二叉树空间剖分准确性高以及场景图适应性强等特点,采用自适应二叉树空间剖分算法与场景图相结合的模式,构建场景管理模型,可以对不同的场景类型运用不同的ABT权重,形成相应的场景管理策略。

最后,将基于自适应二叉树和场景图的场景管理方法应用于机房可视化管理系统。

实验证明,本论文提出的场景管理方法有效提升三维场景组织效率,加速三维场景实时渲染。

3.基于复杂场景的可见性裁剪算法。

研究可见性裁剪技术及传统裁剪算法,在第三章已建立的优化场景空间结构
基础上,借助计算机图形学视锥裁剪算法的基本原理,采用双层裁剪技术(粗略裁剪算法和精细裁剪算法),检查视锥与被裁剪三维形体对象的关系,第一层采用粗略裁剪算法对视锥体截棱锥简化处理,减少整体检查判断次数,以提高裁剪速度。

在此基础上,第二层采用精细裁剪算法对标准的视锥体进行精细裁剪,提高可见性判断结果的精确性。

并结合三维物体对象的空间相关性,避免再次检查从属关系的对象与视锥体边界面的操作,提高处理效率,从而进一步提高整体性能。

最后,将优化的视锥体裁剪算法应用于机房可视化管理系统。

实验证明,本论文提出的算法具有更好的性能,弥补了现有视锥体裁剪算法计算效率低和可见性判断的非精确性。

4.基于GPU的仿真算法模型的实时渲染方法。

三维可视化服务平台会涉及仿真算法模型的实时渲染,本论文仿真算法模型以池火为例,为解决池火模拟难以实现实时性和真实感的问题,在传统粒子系统基础上结合池火模型进行改进,以此提出了一种池火实时渲染方法。

首先,对传统粒子系统模拟池火燃烧过程以及池火的数学模型进行分析,将池火数学模型引入粒子系统中(重新定义了粒子发射器的初始位置、粒子的高度、发射面的面积与形状、速度变化、火焰的颜色等),融入池火燃烧过程的特点,建立了改进的粒子系统模型并考虑外力因素(如风速等)。

其次,利用GPU强大的并行计算能力,通过基于GPU的粒子系统实现模型,实现对粒子状态更新加速,并使用第三章场景管理算法优化加速池火燃液边界的碰撞检测过程,从而实现池火实时渲染过程优化。

最后,将基于GPU的仿真算法模型的实时渲染方法应用于三维应急救援模拟演练系统。

实验证明,本论文提出的方法实现简单,有效地降低渲染时间,显示的效果更为真实。