● 摘要
随着计算机科学的飞速发展,仿真技术获得了极为广泛的应用。飞行模拟器是航空领域的一种重要仿真系统,它可应用于工程研究或人员的培训。视景系统作为飞行模拟器的一个重要子系统,它为飞行员提供实际飞行训练任务中的景象。目前用于飞行模拟器的视景系统大多数都采用计算机成像技术。计算机成像技术是采用基于几何的传统计算机图形学方法来生成虚拟场景,它在各种相关领域得到了很多成功的应用。由于传统计算机图形学方法的建模和绘制开销比较大,因此即便是采用目前最新的图形处理硬件,实时生成具有高度真实感的复杂场景仍然是一个非常具有挑战性的任务。与此不同,基于图像的绘制技术是利用预先获取的一组图像来生成高质量的目标画面,它具有建模容易、绘制速度快和真实感强等特点。本文在深入分析现有各种基于图像绘制技术的基础上,重点研究基于数字视频图像的飞行模拟器视景系统,以减少建模和绘制的开销,增加视景系统的真实感和实时性。本文的主要研究成果有:1)以计算像素的目标图像坐标和深度值为目的较为完整地推导了各种常用几何形式深度图像以及它们之间的三维变换方程,并给出了任意曲面相机模型的深度图像三维变换方程。所推导的一系列三维变换方程不但计算参考像素在目标图像坐标系下的坐标,而且还计算在目标相机坐标系下的深度值,适合于本文的需要。2)提出了基于路径采样和基于环采样的场景分层表示方法。该场景表示方法将三维场景按高度分层,在每一层上使用基于路径的采样或基于环的采样来表示该层,每个采样使用不同类型的场景表示基本单元来表示,场景的所有层构成一种复合的表示结构。新的场景表示方法表示直观、获取容易并且便于进行数据管理,适合大规模真实三维场景的漫游。3)以提出的基于路径采样的场景分层表示和基于环采样的场景分层表示方法为基础,提出了基于路径采样的新视图生成方法和基于环采样的新视图生成方法。两种新视图生成方法以位于同一路径采样或环采样上的若干全景采样为输入图像来重建给定视点处的新视图。它们利用极点一致性准则对不同图像源的图像变换结果进行混合绘制以减少空洞像素的产生,并产生与视点相关的效果,从而提高了目标图像的绘制质量。4)针对基于路径采样的场景图像数据库和基于环采样的场景图像数据库,分别提出了基于B+树索引集合的检索方法和基于B+树与BSP树(场景二叉剖分树)索引集合混合的检索方法,并提出了相应的树索引集合建立方法。两种检索方法分别以所建立的树索引集合为查找对象,将当前视点位置作为输入在树索引集合中从高至低依次搜索,直至找到符合条件的图像数据。相应的树索引集合建立方法是以描述三维路径采样网络或三维环采样网络的各种记录文件为基础建立不同层次的树索引,并将它们按照一定的嵌套关系连接,从而形成与场景表示复合结构相一致的树索引集合。新的检索方法快速且易于理解,能够适应大场景范围内的图像数据查询,为场景绘制系统快速获取图像数据做出了一定的贡献。5)提出了一种能够协同场景绘制程序有效工作的数据实时管理方法。该方法通过对两个图像数据缓冲区进行持续不断的更新和维护操作为场景绘制过程连续提供所需的图像数据。该方法有助于提高数据的解码效率,减少CPU与存储设备之间的I/O操作并加速图像数据准备过程,从而在兼顾其它方面性能的同时提高了系统的绘制速度。 本文的研究成果不但在理论上具有重要的意义,而且对于建立一个实际的视景系统来说有重要的参考价值。
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