城市轨道交通线路的CPU/GPU协同快速建模方法

摘 要：城市轨道交通线路三维可视化设计能有效地改进设计质量。针对传统基于 CPU 的线路三维建模方法存在着建模速度慢、等待设计成果时间长、渲染效率低、场景优化困难等 问题,提出一种基于 CPU 离散-GPU 建模的城市轨道交通线路三维模型快速建模方法。首先, 将线路分为线状模型和点状模型,然后根据线形设计成果利用 CPU 分解线状模型得到离散化 的边界条件,解析点状模型得到空间信息参数,分别形成独立的、数据量极小的离散数据包; 然后利用 GPU 的并行计算能力通过离散数据包实现线路三维模型的快速建立;联合 CPU 的场 景拣选能力和 GPU 的顶点扩展能力,建立了一种用于长线状模型显示的场景优化方法。研究 结果显示：①该方法建模耗时仅为传统方法的 0.55%～1.30%;②浏览体验相比基于传统 CPU 建模和场景管理的方法显著提升,最小帧数在 70 帧以上;③可有效降低内存及 CPU 占用率等 性能指标,释放设计平台计算压力;④为线路三维可视化设计实用化提供了一种可借鉴的方法 和思路。     

森林场景可视化和林火模拟仿真技术研究综述

森林是生态环境系统的重要组成部分。随着气候变暖,恶劣气候气象条件造成全球森林火灾频繁发生,给国民经济和消防救援带来巨大挑战,森林火灾已成为全球主要的自然灾害。因此,森林场景可视化建模、3维场景仿真、林火模拟仿真、火场复现、预测和灾害评估成为林业虚拟仿真研究热点。本文对树木形态结构建模技术、森林场景大规模重建和实时渲染、森林场景可视化、林火模型和林火模拟仿真等前沿技术和算法进行综述。对相关的林木、植被的形态结构表达和真实感可视化建模方法进行归纳分类,并对不同可视化方法的算法优劣、复杂度、实时渲染效率和适用场景进行讨论。基于规则的林木建模方法和基于林分特征的真实场景重建方法对大规模森林场景重建技术进行分类,基于物理模型、经验模型和半经验模型对森林火灾的林火模型、单木林火、多木林火模拟和蔓延进行总结,对影响林火蔓延的不同环境气象因子（如地形地貌、湿度、可燃物等）和森林分布对林火发生、扩散和蔓延的影响进行分析,对不同算法的优劣进行对比、分析和讨论,对森林场景可视化和林火模拟仿真技术未来的发展方向、存在问题和挑战进行展望。本文为基于森林真实场景的森林火灾模拟仿真和数字孪生沉浸式互动模拟系统的构建提供了理论方法基础,该平台可以实现森林场景快速构建、不同火源林火模拟、火场蔓延模拟仿真以及不同气象影响条件的火场预测,可对森林火场救援指挥、火场灾害评估和火场复原提供可视化决策支持。     

图形和图像构建虚拟场景技术研究

阐述了图形和图像混合型构建虚拟场景的基本思想,对虚拟场景中的不同对象采用不同的处理方式,场景总体的全景视觉效果由基于图像的技术生成,主要利用了反映真实场景的高质量的图像,在无须复杂建模的情况下取得最真实的感官效果;对于场景中与用户交互部分则利用几何模型的方法来处理,对虚拟环境中用户要与之交互的对象进行几何模型构建,这样可以提高用户的沉浸感。对图形和图像建模型的两种不同方法进行了比较,研究了既提高场景真实感．又能加快渲染速度的混合建立场景的方法。     

时空轨迹数据驱动的自动驾驶场景元建模方法

时空轨迹数据驱动的汽车自动驾驶场景建模,是当前汽车自动驾驶领域中驾驶场景建模、仿真所面临的关键问题,对于提高系统的安全性具有重要研究意义.近年来,随着时空轨迹数据建模及应用研究的快速发展,时空轨迹数据应用于特定领域建模的研究引起人们的广泛关注.但由于时空轨迹数据所反映现实世界的多元性和复杂性以及时空轨迹数据的海量、异构、动态等特点,基于时空轨迹数据驱动的安全攸关场景建模的研究仍面临着挑战,包括：统一的时空轨迹数据元模型、基于时空轨迹数据的元建模方法、基于数据分析技术的时空轨迹数据处理、数据质量评价等.针对汽车自动驾驶领域的场景建模需求,我们提出一种基于MOF元建模体系构建时空轨迹数据的元建模方法,根据时空轨迹数据的特征及自动驾驶的领域知识,构建了面向汽车自动驾驶的时空轨迹数据元模型;并基于此,提出基于时空轨迹数据元建模技术体系的自动驾驶安全场景建模方法,并使用场景建模语言ADSML实例化安全场景,构建安全场景库,旨在为此类系统的安全关键场景建模提供一种可行的方案.结合变道超车场景的案例,展示了时空轨迹数据驱动的自动驾驶安全场景元建模方法的可用性,为场景模型的构建、仿真、分析奠定了基础.     

基于OpenGL的三维GIS建模技术的研究

本文从OpenGL的基础建模、坐标转换、消隐技术、光照模型及纹理映射等方面介绍了OpenGL的原理和三维GIS建模的相关方法，并对三维建模技术进行了探讨和研究。同时，基于OpenGL结合三维建模软件3DSMAX，在VC什的环境中建立了一个三维的虚拟道路场景，实现了对场景动画漫游和雨雪等自然现象的模拟。     

智能博弈对抗中的对手建模方法及其应用综述

智能博弈对抗一直是人工智能研究的热点。在博弈对抗环境中,通过对对手进行建模,可以推测敌对智能体动作、目标、策略等相关属性,为博弈策略制定提供关键信息。对手建模方法在竞技类游戏和作战仿真推演等领域的应用前景广阔,博弈策略的制定必须以博弈各方的行动策略为前提,因此建立一个准确的对手行为模型对于预测其意图尤其重要。从内涵、方法、应用三个方面,阐述了对手建模的必要性,对现有建模方式进行了分类;对基于强化学习的预测方法、基于心智理论的推理方法和基于贝叶斯的优化方法进行了梳理与总结;以序贯博弈（德州扑克）、即时策略博弈（星际争霸）和元博弈为典型应用场景,分析了智能博弈对抗过程中的对手建模的作用;从有限理性、策略欺骗性和可解释性三个方面进行了对手建模技术发展的展望。     

虚实结合虚拟场景实时绘制技术研究

将图像和几何模型相结合,对于需要操纵和改变外观轮廓形状的目标视景采用基于几何模型的方法建模,对于环境视景采用基于图像（IBR）的方法建模,并对这两种模型进行图像合成,实现的场景既具有很好的真实感,又具有很好的实时性和可操纵性。实现了一个图像和几何模型相结合的虚拟视景系统,介绍了系统的结构、目标视景三维模型生成、环境视景全景图的拼合及虚拟场景图像合成与显示等关键技术。     

基于Petri网的协同三维建模工作流模型研究*

通过分析大规模三维场景单机建模所面临的局限性问题,对三维场景协同建模理论进行了描述。结合workflow net的定义以及建立工作流模型的方法,采用基于Petri网扩展的、用于复杂工作流模型设计的建模方法建立协同三维建模的工作流模型,并通过Petri网相关理论分析得出所建模型具有可达性、有界性、活性,并且是安全可靠的,同时对系统中必须加以解决的并发问题进行了相关的探讨。     

分布式虚拟仿真场景生成方法研究及性能评析

在分布式虚拟仿真系统中,有三种方法生成虚拟场景：基于几何式的、基于图像的和混合式的,几何式的方法和基于图像的方法各有优缺点,混合式的方法试图结合前两种方法的优点来创建虚拟场景。分别介绍了这三种生成分布式虚拟场景的方法及步骤,并重点介绍了一种混合式方法——IBRAC技术,分析了它的两个关键技术：图像绘制加速技术、压缩技术。接着对三种虚拟场景生成方法的性能进行了评析,并给出厂性能比较的实验结果,最后对它们的应用背景进行了总结。     

虚实结合虚拟战场场景生成技术研究

阐述了虚实结合构建虚拟战场场景的基本思想,将虚景和实景相结合,对于需要操纵和改变外观轮廓形状的目标视景采用虚景即基于几何模型的方法建模,对于环境视景采用实景即基于图像（IBR）的方法建模,并对这两种模型进行图像合成,实现的场景既具有很好的真实感,又具有很好的实时性和可操纵性。实现了一个图像和几何模型相结合的虚拟战场视景系统,介绍了系统的结构、目标视景三维模型生成、环境视景的生成及虚拟场景图像生成与显示等关键技术。     

基于OPENGL的树木场景渲染分析与实现

研究了基于OPENGL的树木生成算法与树木场景渲染模式,针对自然界中的植被场景中植物的三维建模难以实现高效、快速、准确的实时渲染的难题,为改善树木形态结构建模与实时渲染的效果和速度,提出了一种面向GPU的针对叶簇的渲染架构,给出了树木建模与渲染的具体实现算法,并完成了三维替代物渲染技术,结合叶簇不同形态,采用基于几何模型的枝干渲染和基于2.5维替代物的叶簇渲染,较大地提升了视觉效果的真实性,使树木建模与实时渲染效率和准确性均得到明显提高。仿真结果表明,树木场景渲染实现模式能够较好的满足图像处理需求。     

利用辐射度模拟虚拟枇杷果园冠层光分布

利用计算机定量化模拟植物形态结构和冠层内的光分布是评估植物光合作用潜力与潜在产量的重要方法。以枇杷为例,采用参数化单树建模工具ParaTree构建单株三维枇杷冠层模型,基于反距离加权插值法IDW建立地形表面模型;根据枇杷果园的树木分布情况,把单株木模型“种植”于地形表面,形成虚拟枇杷果园场景。整个三维场景以三角形面元为基本图元表达,利用辐射度算法模拟虚拟枇杷果园冠层内的光传输与光分布,计算到达每片三角形面元的光辐射强度,可模拟不同种植密度下枇杷果园冠层对光的利用率,为枇杷的种植设计提供参考。     

一种实现森林场景漫游的几何与图像混合绘制方法*

提出了一种基于粒子系统和Particle System API的景物模拟方法,并采用Line方式取代传统的Point方式渲染粒子,结合纹理映射方法实现了多种喷泉模拟。实验证明用该方法模拟喷泉效果比较真实,速度快,在普通微机上可以得到令人满意的效果。     

3D树木建模技术研究进展

3D树木建模一直都是计算机图形学、计算机视觉、虚拟现实等领域最具有挑战性的研究方向之一,国外学者在该领域做了大量研究工作,但3D树木建模综述性文章的缺乏成为其发展的制约因素。侧重从计算机视觉的角度,将当前国内外经典的3D树木建模方法分为基于图像,基于规则和基于草图等三类,并跟踪了最新的3D树木建模技术进展,对他们的成果进行了深入剖析,重点阐述3D树木建模关键技术。最后,分析和比较了几种主要的3D树木建模技术,提出轻量化3D树木建模技术是今后虚拟场景中的交互应用的发展趋势。此外,根据当前研究的难点提出了基于单张图像的轻量化混合建模的研究思路。     

网络环境中虚拟树木的建模和实时渲染研究

在网络环境中虚拟树木表现技术上,如何达到网络传输的实时性和视觉效果的平衡一直是国内外学者研究的热点.论文摹于Java3D技术,提出了一种web环境下虚拟树木的实时建模和渲染方法.该方法以树木特性为依据设计了虚拟树木场景结构以及基于web的虚拟树木建模算法.在树木场景创建以及渲染过程中采用多种优化技术如面片建模、LOD方法等既保证视觉效果又有效减少场景面片数以加速场景的漫游显示速率.经过测试,构建的基于Web的虚拟树木场景不但具有较强的真实感及良好的交互性,而且满足网络实时传输的要求.     

基于模板替换的室内场景建模方法研究

当前,室内场景建模相关研究已经取得很多进展,特别是基于多视角融合的建模 框架与基于单视角的建模框架的提出,增强了机器人的环境感知能力。但仍然存在以下不足： ①基于多视角融合的建模方式预处理时间长,建模完成后需线下优化过程,不能满足特定条件 下的建模需求;②基于单视角的建模算法输出一般为体素,建模质量较低,信息缺失严重,对 于场景细节无法精确刻画,难以满足机器人交互的要求。特提出一种基于模板替换的室内场景 建模方法研究。首先,预处理由设备采集到的三维点云场景,分割出存在点云缺失的单个对象, 并利用虚拟扫描技术采样对象表面点并计算法向量与曲率。采用八叉树网格结构,将点云的法 向量与曲率信息分别存入网格中,再利用卷积神经网络(CNN)提取高维特征向量,将其与数据 库中三维对象特征进行欧氏距离比较,得到检索序列。从序列中挑选出最相似的对象,利用迭 代就近点(ICP)配准方法,与扫描场景进行配准,完成场景优化。对提出的网络模型在 2 个基准 数据集上进行测试并表现出良好的性能。     

一种基于单幅图像的树木深度估计与造型方法

提出了种基于单幅图像、利用光照引起的明暗效果（ｓｈａｄｉｎｇ）恢复树木枝干三维形态的方法,与传统ｓｈａｐｅ ｆｒｏｍ ｓｈａｄｉｎｇ技术相比,该方法根据树木的特殊结构,利用更稳定的明暗特征,取消了对表面、光源及拍摄条件的限制,从而将算法的鲁棒性提高到足以处理自然的树木照片．基于上述工作,提出了一种基于单幅照片的交互式树木造型方法,该方法避免用数学模型控制树木形态,独立于树木的具体种类,具有较高的普     

实时三维图形平台BH_GRAPH

BH_GRAPH是一个面向视景仿真类应用系统开发人员、支持实时三维图形开发与运行的基础软件平台．它提供可扩展的软件体系结构、标准化的场景管理机制、高效率的场景处理方法、方便易用的应用程序接口，为三维图形应用系统的快速开发、高效运行提供完整的技术支撑．BH_GRAPH主要由三维视景绘制引擎、三维对象建模工具、三维场景布置工具以及一系列关键技术构成．概要介绍了BH—GRAPH各主要组成部分的软件结构、基本功能和技术特点．