虚拟战场中电磁环境三维建模与绘制方法研究

国防科学技术大学博士学位论文虚拟战场中电磁环境三维建模与绘制方法研究姓名：杨超申请学位级别：博士专业：控制科学与工程指导教师：吴玲达2010-10国防科学技术大学研究生院博士学位论文第i页摘要军队信息化进程的加快，电磁环境日益复杂，电磁空间的斗争空前加剧，对军事活动产生着深刻的影响。在电磁空间斗争这条无形的战线上，对电磁环境的描述一直是制约指挥人员实施准确、高效指挥的关键环节。科学、准确、直观地描述电磁环境，不但有助于指挥人员对战场电磁态势准确判断、科学决策，合理部署和调配战场电子对抗力量，而且对于联合作战指挥员准确把握战场态势也至关重要，因此当前迫切需要在虚拟战场中形象直观准确地描述电磁环境。本文围绕虚拟战场中电磁环境三维建模与绘制方法展开研究。研究了电磁环境的三维数据建模和多层等值面几何建模方法；为了增强信息表现能力，分别研究了电磁环境多层等值面融合绘制和直接体绘制方法；为了提高表现效率，研究了基于图形硬件的加速技术以及体数据分块多分辨率构造和模型网格多分辨率动态简化算法。本文对其中的一些理论和算法问题进行了深入分析和探讨，取得了一些创新性的研究成果。具体来说，论文的主要工作和贡献体现在以下几方面：z针对虚拟战场中三维电磁环境数据建模，提出了一个球形规则网格体数据组织模型，并设计了一个通用的硬件加速电磁环境计算框架。从电波传播模型出发，提出了电磁环境在三维战场空间中的球形规则网格体数据描述模型，构建起电磁环境在虚拟战场中的统一的三维数据表达。为了加快三维电磁环境体数据的构造，设计了硬件加速的电磁环境计算方法，通过抽象电磁环境数据模型的输入、输出和计算功能，构建了虚拟战场中电磁环境的硬件加速通用计算框架。z提出了一种硬件加速的电磁环境多层等值面几何建模与动态简化方法。为了同时表达更多电磁信息，提出了硬件加速的多层等值面构建算法，实现了在一次执行中同时提取多个等值面的目的，加快了多层等值面的提取效率。设计了一种视点相关且体积保持的电磁环境等值面多分辨率动态简化算法，该方法考虑面积加权和模型网格显著度，这样不仅保持了等值面模型的几何外观特征，而且还能够保持网格的区域特征信息。采用自上而下的方式构建了三角形折叠操作树林，并设计了三角形折叠树的折叠状态子集，实现了基于视点的动态选取绘制不同区域多分辨率模型的算法。z提出了两种多层等值面半透明融合绘制算法。针对快速漫游和大视角浏览多层等值面的需要，提出了分层伪排序算法，实现了多层等值面的近似快速排序，解决了大量模型面片排序带来的效率下降问题；为了提高多层等值面的绘制质量，提出了一种基于桶排序和slicemap技术的多遍DepthPeeling算法，解决了多层等值面片元分布不均匀的问题，提高了绘制复杂等值面的能力。z提出了一种基于混合八叉树且支持自由漫游的硬件加速的电磁环境直接国防科学技术大学研究生院博士学位论文第ii页体绘制方法。针对大范围的电磁环境球形规则网格体数据，提出了混合八叉树剖分组织方式，解决了体数据各方向大小不一致的剖分问题，进而提出了一种多分辨率的电磁环境球形直接体绘制算法，通过虚拟八叉树策略构建分块的紧致包围盒，提高体绘制效率。为了解决传统硬件加速光线投射直接体绘制算法不能正确处理视锥体裁剪的问题，提出了一种视锥体裁减修正的方法，实现了直接体绘制的自由漫游观察，并针对单个电磁设备的圆柱规则网格体数据，提出了光线投射圆柱直接体绘制算法，实现了圆柱规则网格体数据的绘制。z设计并实现了一个虚拟战场中电磁环境三维建模与表现的原型系统－EMSimVis。该系统对虚拟战场中电磁环境三维建模与表现的相关技术进行了验证，并在相关项目中得到了应用。关键词：虚拟战场；电磁环境；多层等值面；直接体绘制；硬件加速；网格简化；球形规则网格；可视化国防科学技术大学研究生院博士学位论文第iii页AbstractTheaccelerationofmilitaryinformationevolution,theincreasinglycomplexbattlefieldelectromagneticenvironment,andunprecedentedintensifiedstruggleinelectromagneticspacehaveaprofoundimpactonmilitaryactivities.Intheinvisiblestrugglefrontofelectromagneticspace,thedescriptionofelectromagneticenvironmentisthekeyfactorofrestrictingcommanderstoimplementcommandaccuratelyandefficiently.Scientific,accurateandintuitivedescriptionoftheelectromagneticenvironmentnotonlyhelpscommanderstodeterminethebattlefieldelectromagneticsituationaccuratelyandscientifically,andtodeployandpreparethewarfareelectronicforcesreasonably,butalsoisimportantforjointoperationcommanderstograspthebattlefieldsituationaccurately.Therefore,nowdaystheneedofvisualandaccuraterepresentationofelectromagneticenvironmentinvirtualbattlefieldisurgent.Thisthesisfocusesontheresearchof3Dmodelingandrenderingofelectromagneticenvironmentinvirtualbattlefield.Thedatamodelingandmulti-isosurfacemeshmodelingmethodofelectromagneticenvironmentisstudied;inordertoenhancetherepresentation,themulti-isosurfaceblendrenderinganddirectvolumerenderingmethodisstudied;inordertoimprovetherenderingperformance,theaccelerationtechnologybasedongraphicshardwareandthealgorithmsofvolumedatamulti-resolutionconstructionandmodelmeshmulti-resolutiondynamicsimplificationarestudied.Somecorrespondingtheoriesandapplicationproblemsareanalyzedanddiscussedthoroughlyandanumberofinnovativeresearchresultsaremade.Indetail,themaincontributionsofthisthesisaredescribedasfollows:zInordertomodelthedataofelectromagneticenvironmentinvirtualbattlefield,aSphericalRegularGridsvolumedatastructureisproposedandacommonframeworkforhardware-acceleratedelectromagneticenvironmentcomputingispresented.Basedontheradiopropagationmodel,theSphericalRegularGridsvolumedatastructureisproposedtoconstructuniformnumericdescriptionoftheelectromagneticenvironmentvolumedatainvirtualbattlefield.Inordertospeeduptheconstructionof3Delectromagneticenvironmentvolumedata,themethodofhardware-acceleratedelectromagneticenvironmentcalculationisdesignedthroughabstractingtheinput,outputandcomputingkernelofelectromagneticenvironmentdatamodel.Andthecommonframeworkforhardware-acceleratedelectromagneticenvironmentcomputinginvirtualbattlefieldisbuilt.zAmethodofhardware-acceleratedelectromagneticenvironmentmulti-isosurfacemodelinganddynamicsimplificationisproposed.Inordertorepresentmoreelectromagneticinformation,thealgorithmofhardware-acceleratedmulti-isosurfaceextractionisproposed.Andthetechniqueofsimultaneousextraction国防科学技术大学研究生院博士学位论文第iv页multi-layerofisosurfaceatonetimeisachieved,whichspeedsupthemulti-isosurfacemodeling.Theview-dependentandvolumepreservedelectromagneticenvironmentisosurfacemulti-resolutiondynamicsimplificationalgorithmispresented.Thisalgorithmconsidersthearea-weightedandmeshsalient.Therefore,thesimplificationalgorithmnotonlymaintainstheisosurfacegeometrycharacteristic,butalsomaintainstheregionalcharacteristicofthemesh.Thetrianglecollapsewoodsisbuiltusingtop-downapproach,andthetrianglecollapsestatesubsetisdesignedtoimplementthedynamicselectionmulti-resolutionmeshatdifferentregionbasedonview-point.zTwomulti-isosurfacesemi-transparentrenderingalgorithmsareproposed.Inordertofastroamandwideangleviewthemulti-isosurface,pseudo-sortingalgorithmisproposedtoachievethemulti-isosurfaceinapproximateorderquickly,andavoidsthesortoperationonalargenumberoffaces.Inordertoimprovemulti-isosurf