电子沙盘作为重要的立体场景展示工具,被广泛应用于军事预演、建筑展示、工程改造、农业规划、地产设计等多个领域。本文使用光栅立体显示器和超多视点光场显示设备作为电子沙盘的立体显示设备,应用光线跟踪技术和栅格化图形技术实现了电子沙盘的立体可视化与显示效果的科学可视化仿真。本文涉及的电子沙盘三维可视化关键技术包括大地形与矢量线单视点高速渲染技术,超多视点立体可视化渲染技术,基于光线跟踪的电子沙盘显示效果可视化仿真技术。论文的主要研究内容和创新点如下:(1)大地形与矢量线单视点高速渲染技术研究要点1:大地形的实时展示是电子沙盘显示主要内容。本文分别提出基于GPU的高速栅格化渲染算法和基于光线跟踪的大地形渲染算法。在第一种算法中,高程图像被压缩编码后,在GPU中进行解压并根据视点位置进行大地形的可视化。在1920×1080分辨率下,渲染帧率可达800fps的速率。这种方式比较适合八点以下立体显示器的地形显示。而在第二种算法中,本文使用光线跟踪算法对大地形进行高效的碰撞检测,使用的加速结构是MipMap。高清分辨率下,第二种算法平均渲染帧率达到50fps左右。研究要点2:在电子沙盘显示中,矢量线是重要的地理信息符号,用于展示道路,河流等。矢量线在三维场景中的贴地实时显示一直存在着断线、走样、悬空等问题。本文提出的RBSC算法成功地解决了这些问题。RBSC算法利用了栅格化算法中提供的深度信息与光线跟踪算法相结合,极大地减少了光线碰撞检测的计算量,在保证无失真的情况下,达到实时渲染的目的。(2)超多视点立体可视化渲染技术研究要点3:电子沙盘的视景体与普通的立体显示器不同。普通的立体显示器垂直于地面放置,人们站于它的前面进行观察,所以它的视景体只有水平方向上有错切。而电子沙盘的视景体既在水平方向有错切,又在垂直方向上有错切。本文依此推导出了电子沙盘各视点视景体的模型视图矩阵和错切投影矩阵。这样才能保证虚拟空间与现实满足1: 1的比例关系。研究要点4:常用的三维引擎一般会使用场景图对场景进行组织管理,为了兼容原有的三维地理信息引擎,本文设计了一个通用场景图并行计算程序框架,并使用OSG与OpenCL进行了实现。从OSG引擎获取2D+D图像,在OSG-OpenCL框架中实现DIBR的并行计算。DIBR并行计算技术可以实时完成任意视点的渲染,不受视点数目的影响。但是由于2D+D提供的信息量有限,所以DIBR技术不能渲染大视角的立体图像。研究要点5:超多视点集成成像电子沙盘的视点数目可达90X90个,原用的技术很难达到实时渲染的目的。DIBR技术又不能实现大视角立体渲染。本文通过光线跟踪技术改变光线的起始位置和方向,配合SBVH光线碰撞加速技术,达到了超多视点集成成像系统实时渲染的目的。(3)基于光线跟踪的电子沙盘显示效果可视化技术研究要点6:光线跟踪技术不仅能实现电子沙盘内容的生成,而且能够应用到电子沙盘立体显示设备显示效果的可视化仿真中。本文分别对狭缝光栅立体显示器,柱镜光栅立体显示器,光场立体显示器进行光线跟踪的可视化仿真。本文对光栅立体显示器的光强分布进行了分析,并对它们各视点的串扰进行了研究。本文对光场电子沙盘立体显示实现了实时的可视化仿真,研究人员对成像结果所见即所得。光场可视化仿真不仅能提供直观地显示效果,而且能够和SSIM指标结合,为光场立体显示器的显示质量提供客观评价指标。