● 摘要
多投影面虚拟环境系统的构建研究一直是虚拟现实技术领域的一个重要研究内容，但是由于过去这类虚拟环境系统的构建大多基于专业的图形工作站和高端的投影显示设备，系统昂贵的造价使得其应用范围主要限于大型军事系统仿真、航空航天等领域。近年来，随着PC性能的快速发展，建立以PC集群驱动的多投影面虚拟环境系统成为研究的热点。但是，目前在虚拟设计应用领域所构建的虚拟环境系统大多直接源自系统仿真等其他领域的虚拟环境系统，因此不能适应虚拟设计的特点和需求，也影响了虚拟现实技术在制造业的发展和推广应用。本文从虚拟设计的特点和需求出发，结合目前虚拟环境技术的发展现状，提出了构建面向虚拟设计的多投影面沉浸式虚拟环境系统的研究课题。论文从面向虚拟设计的多投影面沉浸式虚拟环境系统的体系结构、并行绘制模型、多投影画面的拼接绘制、网络同步与数据通讯、系统的几何和颜色校正问题以及系统的显示质量评价机制等方面展开了深入的研究，最后开发了一个面向虚拟装配的多投影面沉浸式虚拟环境原型系统。论文的主要研究工作如下： 首先，明确提出了面向虚拟设计的多投影面虚拟环境系统的体系结构。对系统的硬件组织、软件系统结构、立体显示方式等进行了设计，分析探讨了影响系统性能的关键因素；针对虚拟设计的特点和需求，提出了基于混合型结构的分布式并行绘制模型。该模型结合sort-first结构中立即模式和保留模式两种框架的优点，它在主节点和绘制服务节点之间传送信息量小的模型操作事件而不是修改后的整个模型，大大减少了网络数据通讯量；同时，它利用主节点加载新的模型数据并通过网络发送到各个绘制服务节点，然后再对各节点的模型数据库进行更新，满足了虚拟设计中需要不断加载新的模型数据的需求。此外，基于该混合型结构的系统还可以从客户端上运行的某些三维建模软件中截获产品模型的可渲染面片数据，打包压缩后传送到各服务器节点进行绘制，增强了系统的三维建模能力。 其次，对系统构建中的多通道画面间的拼接绘制、网络同步机制、以及数据通讯的实现等问题进行了深入研究，给出了相应的解决方法。引入了一种适合虚拟设计的可变协议数据单元结构VPDU，该VPDU可以传递任意类型的对象属性值,从而比分布式交互仿真系统中的实体状态协议数据单元更适合虚拟设计对通用性的要求。同时，利用VPDU的可变特点,主节点只需传递当前被改变的属性值，大大降低了网络的数据传输量。 再次，深入分析了多投影面沉浸式虚拟环境系统构建中的几何校正技术，在对手动几何校正技术进行改进的基础上，实现了一种快速、灵活的基于相机的自动几何校正算法。该方法速度快、具有较好的独立性和扩展性，适合于快速构建多投面沉浸式虚拟环境系统，具有良好的推广应用价值；提出了一种基于优化算法模型的多投影面系统的颜色校正算法，它通过相机来获取颜色反馈信息，自动实现对各投影面之间的亮度、色度的匹配校正。此外，利用相机的反馈信息实现了投影重叠区的自动边缘融合算法。 另外，针对目前对多投影面虚拟环境系统的显示质量没有统一的评价标准的问题，本文给出了设计系统显示质量的评价机制的目标与要求，设计了平均亮度与亮度偏差、动态范围、颜色误差等评价指标，并结合评价实例给出了利用该评价机制对系统显示质量进行评价的方法。结果表明，该方法可以较好地反映颜色校正方法对系统显示质量的改善情况。 最后，探讨了虚拟装配应用开发中的模型转换、约束处理等问题；在构建的多投影面沉浸式虚拟环境系统中，结合虚拟破碎机的装配应用实例初步实现了一个面向虚拟装配的多投影面沉浸式虚拟环境原型系统。