分布式多交互虚拟场景渲染的协同控制

针对分布式多交互虚拟现实系统场景渲染的协同控制问题,构建了基于分布式开放灵活的多交互虚拟现实系统结构,将协同交互技术集成到虚拟现实系统设计中,设计包含控制平台、网络服务平台和渲染平台的系统架构,提出了一种基于OGRE的分布式多交互实时协同渲染方法。完成了单个控制节点对应多个渲染节点时,多个渲染节点渲染场景的实时同步,以及多个控制节点在同一场景中的协同、交互。此研究成果应用于河北大学虚拟漫游交互控制平台,具有广阔应用的前景。     

虚拟装配中基于导纳控制的力觉渲染技术

传统的力触觉渲染多采用阻抗控制,不能很好地满足虚拟装配的应用要求,相比之下导纳控制模式更适用这一领域.为此提出一种基于导纳控制的双线程力觉渲染构架,并给出相应的力觉渲染算法.首先建立用于导纳控制的动力学模型,并讨论了碰撞和约束这2个状态下的力觉渲染;为了使用力觉交互接口进行虚拟装配中的小间隙装配,提出物理约束与几何约束结合的力觉渲染方法;最后针对物理计算和力反馈循环2个线程刷新频率不匹配的问题,利用二次拉格朗日多项式进行数值插值,实现了力觉交互接口的平稳输出.通过力反馈设备与自主开发的虚拟装配原型系统VAPP的连接与应用,验证了所提出的算法满足虚拟装配系统中力觉交互的应用要求.     

一种基于网络的并行渲染和跨平台同步展示系统

虚拟现实的实时展示和交互的应用越来越广泛,但由于普通PC机渲染的性能问题,无法在保证帧率的条件下渲染超高分辨率的场景。基于网络的并行渲染系统具有性价比高、扩展性好等特点,并且可以输出超高分辨率的画面,适合大型的虚拟现实场景展示。该系统使用Unity3D支持虚拟现实渲染和跨平台的特性,使用PC机群基于Sort-First结构的实时并行渲染框架展示弧形超高分辨率场景,并使用网络将手机、平板和PC机群连接在一起,利用增强现实的方式同步展示整个场景。该系统支持多机同时连接展示,可以应用到博物馆、教学、展览等领域。     

面向磁悬浮视触觉交互的多速率系统框架

非接触式磁悬浮视触觉交互克服了机械式交互的固有摩擦,具有广阔应用前景,但存在交互过程中虚拟工具穿透物体、图形渲染与触觉渲染速率不一致等问题.针对上述问题,提出面向磁悬浮视触觉交互的多速率系统框架,通过扩展三自由度(3-DOF)单射线触觉渲染方法,利用多射线对虚拟工具进行建模,避免工具穿透,实现六自由度(6-DOF)触觉...     

一种场景内容分布的交互式渲染系统

近年来,三维虚拟场景的规模和复杂程度不断提高,受到硬件的限制,一些应用 中的超大规模场景(如建筑群,城市等)很难在单机上进行渲染或满足可交互的需求。针对该问 题,提出了一种分布式渲染框架,将大规模场景在内容上进行划分,得到单一节点可渲染的子 场景。这些子场景被分布到集群中不同的渲染节点进行处理,其渲染结果根据深度信息进行合 成得到整个场景的最终渲染结果。为了降低交互响应时间,需对子场景的渲染结果进行压缩传 输。实验充分验证了提出的分布式渲染系统能够高效处理超大规模场景的渲染和交互,并且具 有良好的可扩展性,能够满足很多领域中对大规模场景交互式渲染的需求。     

一种面向VR多投影环幕设备的可视化结果显示方法

传统显示设备难以满足大规模复杂数据可视化结果显示的需求,而VR多投影环幕显示设备提供的沉浸式显示环境可以良好地应对复杂数据可视化显示的使用情景。提出一种面向VR多投影环幕设备的可视化结果显示方法,通过设计多投影环境中兼容2D与3D显示的渲染流程,解决了传统方法中出现的画面渲染模糊问题。同时,该方法通过3D运动模拟计算以及交互射线计算解决了在新渲染流程下的立体显示和交互坐标转换问题。实验结果表明,该方法有效地提高了多投影环境中可视化结果画面的清晰度,并支持立体显示与交互。     

渲染器与Web服务器耦合实现远程体 渲染的交互优化

目的 为使用户随时随地获得需要较大计算和存储资源的交互真实感体渲染服务,设计并实现了一种面向Web的远程真实感体渲染方法。方法 计算量较大的实时体渲染任务由远端渲染服务器中的GPU加速完成并通过WebSocket将渲染图像发送至客户端;客户端浏览器只需负责接收显示渲染图像并监听发送用户交互事件。提出了一种输出系统耦合算法用以连接输出图像速率较大的渲染服务器和发送图像速率较慢的Web服务器。算法能根据Web服务器发送图像的情况动态调整每次图像输出的迭代计算次数,改变渲染服务器输出图像的时间间隔以达到与Web服务器发送速度相平衡,同时保持渲染服务器持续工作。结果 实验比较了在不同网络传输条件下,采用输出系统耦合算法与直接连接渲染器和Web服务器,渲染4个不同数据集所需的完成时间及帧率等性能评价指标。在局域网和广域网环境下,本文方法分别最多只需17 s和14 s即可完成整个渲染过程,而采用直接连接渲染器和Web服务器的方法则分别至少需要31 s和60 s才能完成整个渲染过程。实验结果表明采用输出系统耦合算法在不同网络条件下均可较大地缩短整个渲染过程所需时间,使用户在较短时间内获得高质量渲染图像。结论 本文渲染器与Web服务器耦合实现远程体渲染交互优化的方法可让用户使用与计算能力无关的桌面或移动设备通过网络透明使用高性能渲染系统;系统采用的输出系统耦合算法能够根据网络承载能力自适应调整渲染器输出速度,使用户在不同的网络环境中均可以较快的速度获得高质量渲染图像。     

基于参考图像的原子模型渲染方法

伴随着生物学的发展与纳米电子器件仿真技术的进步,原子结构在现代化科技领域发挥至关重要的作用。原子结构的复杂细节使得渲染效果受光源位置影响较大,导致了原子模型渲染工作的困难。基于此,提出了一种基于参考图像的原子模型渲染方法,计算出参考图像的光照参数用于原子模型的渲染。首先,通过改变光源位置,利用POV-Ray脚本实现不同光源角度下的批量模型渲染,采集光源位置参数及渲染图像得到对应光源位置的渲染图像数据集;接着,以残差神经网络为主干设计光源估计网络,并在网络中嵌入注意力机制提升网络准确性,使用优化后的光源估计网络对数据集进行训练,回归光源位置参数;最后将训练好的卷积神经网络应用于参考图像的渲染参数估计中,利用渲染参数渲染目标模型。实验结果显示。通过网络预测的参数与真实照明参数误差极小,具有高度可靠性。     

虚拟原型自由交互和多重纹理绘制在医学仿真中的应用

介绍了一种基于光线跟踪法的多虚拟原型自由交互方法,并通过多重纹理绘制解决交互过程的逼真绘制问题.多重纹理绘制通过存储原型材质标识号,采用切割不同纹理图源文件分别渲染小三角形面片的手段,将不同纹理同时渲染到虚拟原型相应位置,以实现高度真实感的虚拟原型交互过程的实时逼真显示,给出了该方法在虚拟医学手术训练中的应用.     

多通道快速GPU光线投射算法

现有基于GPU加速的光线投射算法为满足实时交互的需求,通常在用户交互过程中,采用降低采样频率的方法来提高重建速度,却丢失了三维数据场的信息,极大降低了重建图像的质量.针对这一问题,在分析GPU渲染管道线和图像插值重建技术的基础上,提出多通道快速GPU光线投射算法.利用离屏渲染技术,设置比显示分辨率低4～16倍的渲染分辨率,在此渲染分辨率下进行正常采样的光线投射算法,将渲染分辨率下重建结果重新作为输入,进行高分辨率重建,并显示结果.实验结果表明,该方法可以在满足重建图像质量的前提下,有效提高重建速度.     

Interactive Volume Rendering with Dynamic Ambient Occlusion and Color Bleeding

We propose a method for rendering volumetric data sets at interactive frame rates while supporting dynamic ambient occlusion as well as an approximation to color bleeding. In contrast to ambient occlusion approaches for polygonal data, techniques for volumetric data sets have to face additional challenges, since by changing rendering parameters, such as the transfer function or the thresholding, the structure of the data set and thus the light interactions may vary drastically. Therefore, during a preprocessing step which is independent of the rendering parameters we capture light interactions for all combinations of structures extractable from a volumetric data set. In order to compute the light interactions between the different structures, we combine this preprocessed information during rendering based on the rendering parameters defined interactively by the user. Thus our method supports interactive exploration of a volumetric data set but still gives the user control over the most important rendering parameters. For instance, if the user alters the transfer function to extract different structures from a volumetric data set the light interactions between the extracted structures are captured in the rendering while still allowing interactive frame rates. Compared to known local illumination models for volume rendering our method does not introduce any substantial rendering overhead and can be integrated easily into existing volume rendering applications. In this paper we will explain our approach, discuss the implications for interactive volume rendering and present the achieved results.     

基于OGRE粒子系统在烟花渲染中的研究

为了实现对自然现象和景物及日常生活进行真实模拟,在游戏和虚拟生活中都要创造大量的虚拟场景,使用虚拟渲染也节省开发成本,加上粒子系统在计算机图形学中的地位十分重要。文中在OGRE（Object-Oriented Graphics Rendering Engine）引擎架构上,对粒子系统的原理、结构和其脚本语言、粒子系统的烟花虚拟渲染流程进行了研究,文中对以往烟花渲染进行了改进,提出一种程序和脚本相结合的方法,通过OGRE引擎进平台进行实验论证,实验结果取得了较好的视觉效果,证明文中提出的方法可行,而且节约开发时间和提高开发效率。     

交互式过程隐函数云建模方法

计算机生成云已成为虚拟环境中不可或缺的自然景观之一。提出了两层次结构的交互式云建模系统。利用隐式体函数定义的元球（blob）构建云的基本结构,同时采用过程噪声生成云细节部分。利用粒子系统创建元球的分裂和消亡规则,在基本结构的基础上自动生成层次更为丰富的云形状。方法适用于建模多种不同类型的云,并能交互式绘制建模结果。     

一个交互实时的多分辨率地形绘制系统

本文设计并实现了一个交互实时的多分辨率地形绘制系统，介绍了系统的组成、实时优化方法的以及地形几何和纹理数据表示和管理方法，并通过一实例对地形绘制系统的性能进行了评价。从绘制结果看，系统对地形进行实时优化时折衷考虑了国象绘制质量和绘制速率，在图象质量没有有明显退化的情况下极大地改善了地形绘制的性能。     

IBRAC技术在分布式虚拟仿真系统中的应用研究

基于图像的方法和基于模型的方法是生成虚拟场景的两种方法,但这两种方法在分布式虚拟场景的生成过程中各有优缺点。将两种方法的优点相结合,在分布式虚拟仿真系统中引进IBRAC技术,有三个优点：绘制速度快、网络带宽限制低、能够进行交互控制。该文结合分布式门式起重机虚拟仿真培训系统对IBRAC技术进行了研究。首先给出了该系统的总体结构,然后分析系统中用到的IBRAC技术重要算法,最后对IBRAC技术在系统中的应用前景进行了展望。     

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．     

快速虚顶点光子映射的焦散绘制

目的 模拟绘制焦散效果是真实感图形绘制的重要组成部分。利用可编程GPU硬件,基于图像的光子映射方法绘制速度快,但由于使用了近似采样和计算,会产生失真。为了克服这一现象,针对理想的镜面反射、折射体,提出一种快速绘制焦散效果的方法（VOBPBT）。方法 该方法首次定义了光子路径映射图的概念,并提出通过基于虚顶点光子映射的光子束跟踪来准确构建光子路径映射图的方法;此外,方法也创新性地提出利用光子路径映射图来查找焦散三角形,创建焦散映射图的方法。结果 实验结果表明,本文绘制结果真实,可以处理多次递归反射、折射,能够绘制连贯的高频焦散效果,同时可以达到交互的绘制性能。结论 本文VOBPBT方法在可交互计算机仿真、计算机游戏、虚拟漫游等应用领域具有一定的实用价值。     

基于体素模型的优化体绘制技术

直接体绘制技术因可绘制数据场中包含的内部结构形成较高图像质量而倍受青睐，但大量计算导致的绘制速度慢严重制约着其在大规模数据场交互绘制方面的应用。对现有算法进行优化是其发展方向之一。对目前基于体素模型的体绘制关键环节优化技术进行了概括，并分析了进行优化的主要思路，为进一步应用、改进这些技术提供参考。     

基于粒子系统的蜡烛火焰实时模拟

应用粒子系统模拟模糊不规则物体的关键问题是真实感和实时性,在剖析影响真实感和实时性的因素基础上,提出了提高粒子系统真实感和实时性的有效方法。为提高真实感而将粒子、粒子源、力产生器统一在一起,即将粒子源、力产生器和可视化粒子看作都由力驱动。用合适的力类产生较好的火、烟、云及爆炸的实时模拟,用OpenGL显示列表技术提高绘制效率,简化粒子的碰撞处理来减少计算复杂性,利用层次空间减少计算工作量。实验结果表明,该方法满足实时性和真实感的要求。     

基于GPU的三维医学图像混合可视化系统

研究并实现了一个基于GPU的医学图像混合可视化系统，该系统采用三维纹理映射的方法实现直接体绘制，利用GPU的可编程特性完成体绘制方法中的插值后分类算法和传输函数的传递及实时修改，采用OpenGL技术实现表面的绘制，并基于场景图结构实现时表面数据的管理。面绘制和体绘制部分都采用OpenGL实现，运用OpenGL的融合机制，系统实现了面绘制和体绘制的混合显示。本系统大大提高了体绘制的速度，有效地保留了面绘制和体绘制的优势，在保证绘制速度的基础上丰富了图像信息。