空间近距操作视景仿真系统研究

在空间近距操作仿真中,根据航天器飞行轨迹和外部环境因素的影响实时的仿真控制航天器的位置、姿态与特效是关键点。通过对航天器飞行轨迹的数字仿真数据和飞行过程中特效的研究,采用数字仿真数据作为飞行状态数据库,基于软件平台Creator和Vega开发出空间近距操作视景仿真系统。对该系统的设计和实现进行研究,通过系统总体框架和场景的几何建模及动力学建模,实现了追踪航天器从最初机动到最终逼近目标航天器以及完成操作的精确仿真,较好地解决了飞行中航天器的位置、姿态控制和各飞行阶段特效的生成等问题,具有较好的实时性。     

可重复使用航天器时间协同飞行轨迹优化

针对可重复使用航天器(RLV)时间协同飞行轨迹优化问题,提出了一种基于Radau伪谱法的轨迹优化方法。方法以再入飞行时间可知性、可控性为目标,使用Radau伪谱法对RLV的飞行时间进行预测,进而协调出多RLV的再入协同飞行时间,以此再入飞行时间为终端约束使用Radau伪谱法生成满足协同飞行要求的再入轨迹。仿真结果表明,上述轨迹优化方法可以得到满足时间协同约束、状态约束和控制约束的飞行轨迹,具有较高的稳定性和较快的求解速度。所提方法满足多架RLV时间协同再入飞行的需求,具有很强的实用价值。     

大规模城市场景的高效建模及其实时绘制

提出一种新的大规模城市场景高效建模及实时绘制方法.该方法综合建筑物的航拍图及地面图片来分层构造单体建筑物的几何模型与纹理,构建出该城市的建筑模型库;并通过城市的小区规划图生成小区模板库,可高效地实现大规模城市的风格式建模.采用单体建筑物的简化建模方法,将分页式的场景剔除技术引入城市场景的图形绘制流水线中,可实现雨、雪等不同气象条件下大规模复杂城市场景的实时绘制,整个场景的平均绘制速度达到20帧/s.     

基于红外物理学和流体动力学的海面船只红外尾迹真实感绘制

随着红外热像仪成像分辨率的提高,已能观察越来越多新的目标红外成像特征.为探究航拍海面船只红外尾迹的形成原因和具体成像特征,基于流体动力学和红外物理学原理,提出一种海面船只红外尾迹建模与绘制新算法.首先使用体素化将船体转化为固体粒子,以实现固-液耦合效果模拟;然后提出一种海水垂直面的温度变化模型,以确定液体粒子的初始温度值分布;为模拟海上行驶船只的运动及其场景的红外成像特性变化,提出一种新的结合光滑粒子流体动力学(SPH)模型及海水热传导机制的模型;最后通过红外成像模型,成功绘制出海面船只的红外尾迹场景特征图像.文中所提出的海水热传导机制SPH模型除了能模拟船只尾迹的几何形状变化外,还能求得尾迹区域海水的红外物理特征变化,并从实验模拟的角度证明了红外尾迹的成像原因.该算法在海面目标的探测与救援、军事上的红外隐身与对抗等领域都有重要的应用价值.     

探月飞行器效能评估研究与实践

航天器飞行效能评估是整器级测试验证以及在轨飞行结果评价中不可或缺的重要环节,针对我国探月三期月地高速再入返回飞行试验,提出了一种基于任务剖面的航天器飞行效能评估方案;提取7个任务剖面、17个约束条件,建立面向月地再入返回过程的指标评估体系;通过定量、定性指标量化计算、权重系数层次分析法计算各任务剖面的能力度量值,解决了系统目标完成能力不易定量描述的难题,实现了对月地转移段、大气层外自由飞行段、再入段、跃出段等过程自主飞行能力的科学定量评估,对后续月球无人采样返回、火星探测等探测器系统的效能评估具有一定参考意义;该方法已应用于月地高速再入返回飞行器系统。     

实时数据驱动的交会对接仿真平台设计与实现

航天器地面综合测试时,为了在测试数据显示基础上,动态展示航天器交会对接过程,验证交会对接飞行方案的正确性,为航天员手控交会对接训练提供支持,设计航天器交会对接仿真系统,给出交会对接仿真平台设计架构。通过对航天器建模、虚拟场景装配、模型驱动方法、阳照区/阴影区绘制、姿态和星下点轨迹计算方法研究,开发实现航天器交会对接仿真平台。平台由实时测试数据驱动,在航天器地面静态测试下,可以实时显示航天器三维飞行状态及星下点轨迹。目前,仿真平台已经应用于航天器地面综合测试过程中,同时,平台可以扩展支持航天器在轨飞行动态展示,丰富了航天器测试和监视手段,具有较高工程应用价值。     

基于VR的导弹仿真系统算法与设计

针对仿真系统的研究与应用现状,研究分析了建立导弹飞行仿真系统的关键问题,在确定系统的开发目标的基础上,以具体的建模工具对导弹的建模需求进行了分析说明,给出了复杂物体建模的曲线算法,并对大规模场景的绘制与调入进行了说明。在系统构建时,分析了如何基于移动目标定位原理及其算法实现对导弹的位置和空中姿态的实时控制,并根据导弹发动机燃气射流特性设计出符合实际的粒子系统,并介绍了系统设计的四种观察方法,最终完成整个系统的设计;该系统具有良好的实时性与通用性。     

大规模三维地形生成算法的实施与分析

为了探讨适合于虚拟现实中大规模三维地形生成的算法,文章分析了均匀网格算法和ROAM算法的原理及其特点,基于Molehill渲染引擎采用两种不同的算法实施了地形数据的模拟与绘制。实验结果表明,由于ROAM算法可根据视点的位置动态地计算模型的细节层次,减少了每帧渲染多边形的数量,所以,提高了大规模地形数据的运算效率,适合于大规模三维地形场景的虚拟建模需求。     

沙尘暴场景的参数化建模与实时绘制

沙尘暴是一种灾难性的自然景象,对沙尘暴的量化建模与实时绘制,在环境保护、灾难救援、城市交通及影视特技制作等领域有重要的应用价值.为此,提出了一种基于气象学原理的沙尘暴景象参数化建模方法,特别地,分析了上升气流与温度场的关系,并提供了模拟沙尘暴起沙和升流的简化模型.只需输入气压、气温、沙尘密度、场景类型等不同参数即可模拟出特定条件下的沙尘暴景象.在对沙尘暴景象进行实时绘制时,采用基于半角切片的前向多散射的体绘制模型,大大减少了了整体散射模型的计算量.对沙漠和城市场景不同程度沙尘暴景象的实时模拟结果表明了文中方法的有效性;最后采用气象计算模型对所生成的沙尘暴景象的能见度进行了定量的评估分析.     

基于图象绘制的虚拟现实系统环境

虚拟现实的一个重要目标是使用计算机生成逼真的视觉世界,使用户可以对虚拟世界的客体进行交互式考察．虚拟现实的实现有两种方法．传统上,用三维图形学的方法实行建模和绘制．此方法需要繁琐的建模和昂贵的专用绘制硬件,而且图形绘制的质量和场景的复杂性受到很大的限制．基于图象的绘制是实现虚拟现实系统的一种新方法．它克服了三维图形方法的缺点．本文在总结已有技术的基础上,提出一个实现基于图象绘制的虚拟现实系统模型,并据此模型实现一个实验系统及相应的图象工具．     

Crack‐free rendering of dynamically tesselated B‐rep models

We propose a versatile pipeline to render B‐Rep models interactively, precisely and without rendering‐related artifacts such as cracks. Our rendering method is based on dynamic surface evaluation using both tesselation and ray‐casting, and direct GPU surface trimming. An initial rendering of the scene is performed using dynamic tesselation. The algorithm we propose reliably detects then fills up cracks in the rendered image. Crack detection works in image space, using depth information, while crack‐filling is either achieved in image space using a simple classification process, or performed in object space through selective ray‐casting. The crack filling method can be dynamically changed at runtime. Our image space crack filling approach has a limited runtime cost and enables high quality, real‐time navigation. Our higher quality, object space approach results in a rendering of similar quality than full‐scene ray‐casting, but is 2 to 6 times faster, can be used during navigation and provides accurate, reliable rendering. Integration of our work with existing tesselation‐based rendering engines is straightforward.     

真实感视频雨景编辑

用计算机来模拟雨景是影视制作中经常面临的一个课题。目前主要采用的粒子系统方法一般都需要大量的粒子和复杂的物理模型来模拟真实的雨景。提出了一种新的基于图像的方法来实现真实感雨景的绘制。用最小值滤波和改进的Matting算法相结合的方法,从视频中分割出真实的雨幕,然后根据目标场景的光照条件改变雨幕的颜色,最后将其与目标场景融合在一起。实验证明,该方法十分有效。同时该方法是完全基于视频图像的,避免了昂贵的3D场景建模,适合于低成本的影片制作和影视素材重用领域。     

一种云场景的实时渲染方法

探讨了真实感云场景的模拟技术,设计了一种云场景的实时渲染方法。基于Perlin噪声建模生成云浓度图,并采用考虑浓度的Phong光照模型与单向散射光照模型,分别计算反射光和透射光,改善了传统方法无法真实反映不同角度太阳光照的问题,实现了不同时段动态云场景的绘制。通过引入基于GPU的Bumping纹理算法与Render-to-Texture技术,极大提高了云场景的渲染速度。实验结果进一步表明该方法能够同时满足真实感与实时性两个方面的要求。     

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。     

多视点成像的多边形模板法

该文提出一种对场景进行多视点成像的方法。该方法首先为场景中的多边形生成多边形模板，一个多边形模板，包括一条轮廓路径和一组纹条，而一个纹条是平行成像画的一个平面与多边形相交的直线段。由于纹条相对于不同视点的透视投影的变化是线性的，因此，绘制多边形时可以基于模板逐个纹条地处理，而不必按照传统的扫描转换方法逐个点地处理，绘制速度可以提高很多。同时，与视点无关的光照和纹理可以预先计算并保存在模板中，以便在成像时利用基于图像绘制的技术来生成高质量的图像。该方法中，视点可以放置在三维空间的任意位置，并且在场景漫游时可以根据视点位置自动地实现多分辨率绘制。     

Real-time modeling and rendering of raining scenes

Real-time modeling and rendering of a realistic raining scene is a challenging task. This is because the visual effects of raining involve complex physical mechanisms, reflecting the physical, optical and statistical characteristics of raindrops, etc. In this paper, we propose a set of new methods to model the raining scene according to these physical mechanisms. Firstly, by adhering to the physical characteristic of raindrops, we model the shapes, movements and intensity of raindrops in different situations. Then, based on the principle of human vision persistence, we develop a new model to calculate the shapes and appearances of rain streaks. To render the foggy effect in a raining scene, we present a statistically based multi-particles scattering model exploiting the particle distribution coherence along each viewing ray. By decomposing the conventional equations of single scattering of non-isotropic light into two parts with the physical parameter independent part precalculated, we are able to render the respective scattering effect in real time. We also realize diffraction of lamps, wet ground, the ripples on puddles in the raining scene, as well as the beautiful rainbow. By incorporating GPU acceleration, our approach permits real-time walkthrough of various raining scenes with average 20 fps rendering speed and the results are quite satisfactory.     

基于GPU的屏幕空间镜头水滴实时渲染

为了实时模拟真实性高的镜头水滴,提出一种在可编程图形硬件中实现的镜头水滴渲染新方法。首先三维场景被渲染到一张场景纹理,然后在GPU着色器中为镜头水滴产生不规则边缘接触曲线,使用该曲线快速构建水滴的曲面,最后采用曲面的表面信息并根据水滴的光学属性渲染出水滴的折射效果。采用该方法,可以实时地在屏幕上渲染出镜头水滴效果。使用GPU着色器进行渲染,可以在渲染出效果逼真的水滴的情况下,获得实时的帧率。采用光线折射物理方法渲染出的水滴的效果比直接使用纹理贴图方式获得的水滴的效果更逼真。     

基于图像的室内虚拟环境的研究

基于图像的建模和绘制技术,提出了一个构造室内虚拟环境的完整方案,用户只需要输入少数照片,即可重建室内场景的全景图像,方案主要包括以下几点：首先由用户交互确定图像中的匹配象素,通过运动分析算法恢复整个场景的几何结构,然后,将原始图像变换至平面的参数坐标系,抽取纹理图像,并在参数空间对纹理图像进行拼接;最后生成场景的全景图像,算法对拍摄条件和设备没有苛刻要求,运算量较小,有较强的稳定性。     

粒子系统在导弹飞行尾焰图形仿真中的应用

采用粒子系统原理,基于OpenGL平台实现了导弹飞行尾焰的实时图形仿真.文章根据粒子系统原理对导弹飞行尾焰进行了建模,并基于OpenGL平台实现了这种自然景物.计算机仿真结果表明,效果逼真且生成速度快,适合在实时的图形仿真中应用.     

三维多元地学数据一体化显示框架设计

随着三维地质信息系统发展与应用的深入,对地学数据的可视化需求更加迫切。采用面向对象的思想设计并实现了一个可扩展的多元地学数据一体化显示框架。该框架主要划分为模型层、场景层和渲染层,使得数据与绘制流程分离。围绕此框架详细阐述了绘制管线、绘制过程的设计和多层次地学场景组织,满足地质多领域、多专题数据的统一显示与分析需要。基于此框架在OpenGL环境下开发了北京市三维城市地质信息管理与服务系统。