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        基于BSP樹(shù)的三維場(chǎng)景渲染方法研究

        2014-09-17 02:01:06喬云婷
        關(guān)鍵詞:多面體視野預(yù)處理

        喬云婷,張 弘

        (渭南師范學(xué)院數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院,陜西渭南714099)

        0 引言

        在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景漫游中,觀看者移動(dòng)視點(diǎn)的位置就需要計(jì)算機(jī)以實(shí)時(shí)的速度對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行處理.通常計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)隱藏面的消除來(lái)提高渲染速度,常用的方法有z緩沖算法、畫(huà)家算法,但這些方法都有一定的局限性,而B(niǎo)SP樹(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)三維場(chǎng)景的快速分割,提高場(chǎng)景的預(yù)處理速度.對(duì)較大規(guī)模三維場(chǎng)景渲染來(lái)說(shuō),整體分割較為復(fù)雜,如果將場(chǎng)景中的物體進(jìn)行預(yù)處理,經(jīng)處理后的模型表面作為分割平面建立BSP樹(shù),就能夠快速構(gòu)造BSP樹(shù),快速確定視野體里的模型,使得視野體內(nèi)的模型能參加觀察變換和象素填充.

        1 預(yù)處理三維場(chǎng)景方法

        1.1 包圍體的概念

        包圍體就是將物體組合完全包容起來(lái)的一個(gè)封閉空間.將復(fù)雜物體封裝在簡(jiǎn)單的包圍體中,能夠提高幾何運(yùn)算的效率[1].包圍體的常見(jiàn)類(lèi)型有包圍盒、包圍球、包圍柱、離散定向多面體等,在一般的網(wǎng)絡(luò)游戲或虛擬現(xiàn)實(shí)世界三維場(chǎng)景中,遇到的物體形狀十分復(fù)雜,需要將多種包圍體的類(lèi)型加以靈活運(yùn)用,表1是幾種包圍體的比較.

        表1 幾種不同的包圍體

        包圍體的幾何形狀數(shù)量有限而且相對(duì)簡(jiǎn)單,然而實(shí)際遇到的物體一般由多邊形或者通過(guò)處理成為近似多邊形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成,[1]因此對(duì)包圍體的檢驗(yàn)一般要比直接對(duì)于物體的檢驗(yàn)速度快.為了得到復(fù)雜物體的包圍體,首先需要分析場(chǎng)景中物體的形狀特征,運(yùn)用不同類(lèi)的包圍體將場(chǎng)景中的物體進(jìn)行分解.如圖1所示,我們對(duì)一組三維場(chǎng)景用包圍體進(jìn)行處理.

        圖1 用包圍體對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行處理的效果

        1.2 備選平面法向量列表的構(gòu)建

        這里,我們以包圍盒(AABB)為例[2].

        Step1:建立場(chǎng)景中要以包圍盒處理的物體模型.

        Step2:通過(guò)平面中三個(gè)不共線的點(diǎn),作出兩個(gè)相交的向量求出該平面的法向量,針對(duì)重復(fù)的面,可能會(huì)有兩個(gè)相反的法向量,只選取一個(gè)平面法向量即可.

        Step3:求出該平面的法向量并將求得的向量加入到備選平面法向量列表中.

        Step4:在一個(gè)完整的模型中需要定義一個(gè)變量Face關(guān)聯(lián)該模型所有的備選法向量.

        1.3 分割面的選擇

        分割平面必須是對(duì)凹多面體而言的,如果已經(jīng)形成了凸多面體的空間就不必分割.對(duì)于一個(gè)凹體而言[3],分割平面必須在平面的正負(fù)方向均出現(xiàn)三角形.如此遞歸分割下去,就能保證將空間最終分割成大量凸多面體集合,分割出來(lái)的結(jié)果最好是讓一棵樹(shù)平衡,平衡二叉樹(shù)的操作較快,冗余度?。臅r(shí)間復(fù)雜度為O(n2)[4](n是量備選平面法向量列表中平面法向量的數(shù)量).通常在實(shí)際的應(yīng)用中加上相應(yīng)的限制條件,其時(shí)間復(fù)雜度會(huì)小于O(n2).

        1.4 建立BSP樹(shù)

        空間二分就是遞歸地通過(guò)直線對(duì)平面進(jìn)行分割[4].如圖2所示,l1分割整個(gè)平面,然后l2分割l1上方的平面,l3分割下方的平面,以此繼續(xù)分割.分割線不僅會(huì)分割平面,也將物體分割成若干碎片,像這樣一直分割下去最終每個(gè)子區(qū)域中只包含一個(gè)碎片.這個(gè)過(guò)程,就將平面的物體表示成一個(gè)二叉樹(shù).在這個(gè)二叉樹(shù)中,每片葉子分別對(duì)應(yīng)的是最終所得子區(qū)域劃分中的一個(gè)面,即就是落在這個(gè)面中的物體的碎片,將存儲(chǔ)在該片葉子中.每個(gè)二叉樹(shù)的節(jié)點(diǎn)則分別對(duì)應(yīng)一條分割線,這條分割線也就存儲(chǔ)在這個(gè)節(jié)點(diǎn)中,如果場(chǎng)景中包含一維的物體,這個(gè)物體就有可能被包含在一條分割線中,此時(shí),對(duì)應(yīng)的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)需要存儲(chǔ)一個(gè)列表,記錄這個(gè)物體.

        圖2 空間二分樹(shù)及其對(duì)應(yīng)的樹(shù)形表示

        樹(shù)的遍歷 對(duì)于潛在的可見(jiàn)模型可以通過(guò) 樹(shù)的遍歷來(lái)獲得 這樣能夠減少可見(jiàn)性檢測(cè)時(shí)的模型數(shù)量[5].本方法中雖沒(méi)有對(duì)模型進(jìn)行遮擋剔除的處理,但通過(guò)包圍盒的簡(jiǎn)化,已經(jīng)使得該BSP中的三角數(shù)極大地減少.在BSP的遍歷過(guò)程中只需要判斷視野中模型的頂點(diǎn)在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所包含的分割面中的正面或者是負(fù)面,對(duì)于物體模型跨越分割面這類(lèi)情況,可以先遍歷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的左子樹(shù),后遍歷右子樹(shù).通過(guò)判斷模型包圍體與視野體之間的關(guān)系,就能夠確定視野內(nèi)的模型.通過(guò)上述方法,可以得到渲染后的三維場(chǎng)景模型.

        2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證預(yù)處理之后BSP樹(shù)的加速渲染效果.

        2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

        實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)為Autodesk 3D Studio Max 2012,硬件平臺(tái)如表2.

        表2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的配置

        2.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

        我們用一組虛擬的建筑模型場(chǎng)景作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象.如圖3所示,實(shí)驗(yàn)中的物體模型主要為3DS模型,實(shí)驗(yàn)中場(chǎng)景的長(zhǎng)和寬均為1024,視野體的近平面和遠(yuǎn)平面分別為1000和3000.

        圖3 實(shí)驗(yàn)的三維效果圖

        在該三維場(chǎng)景條件下,通過(guò)移動(dòng)視點(diǎn)獲得測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示.由表3中數(shù)據(jù)可以看出,通過(guò)預(yù)處理的BSP樹(shù)的渲染與一般BSP樹(shù)的渲染,前者通過(guò)對(duì)模型的預(yù)處理的BSP遍歷得到潛在可見(jiàn)模型的數(shù)量要小于一般的BSP樹(shù)渲染,它最終只渲染在視野體內(nèi)出現(xiàn)的模型.而后者需要對(duì)場(chǎng)景內(nèi)的所有模型進(jìn)行處理.通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可以看出,在由許多小模型所組成的大規(guī)模場(chǎng)景中,用包圍體處理后的BSP樹(shù)的方法,能夠大大提高渲染效率.

        表3 一般BSP樹(shù)與模塊化BSP樹(shù)渲染時(shí)間對(duì)比

        3 結(jié)語(yǔ)

        本文通過(guò)對(duì)由許多小模型所組成的三維場(chǎng)景漫游特點(diǎn)的分析,給出了一種提高渲染效率的方法,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在三維場(chǎng)景中運(yùn)用包圍盒將物體模塊化分類(lèi),有助于提高對(duì)場(chǎng)景BSP樹(shù)的劃分效率,提高三維場(chǎng)景的顯示速度.需要指出的是,這種方法對(duì)小規(guī)模的三維場(chǎng)景渲染速度提高較多,但是對(duì)大規(guī)模的場(chǎng)景提高并不顯著,需要進(jìn)一步將該方法進(jìn)行擴(kuò)展,使其能夠應(yīng)用在其他大規(guī)模場(chǎng)景的渲染和建筑群的全景虛擬.

        (指導(dǎo)教師 劉 軍)

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