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        虛擬現(xiàn)實中三維場景構(gòu)建的優(yōu)化處理研究

        2017-11-28 19:25:30高飛
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2017年27期

        高飛

        摘 要:本文主要介紹細(xì)節(jié)層次模型的定義和生成方法,重點介紹了場景建模優(yōu)化的主要方法,利用邊折疊法即二次測度誤差的改進(jìn)算法對吉林動畫學(xué)院的校園場景進(jìn)行簡化處理。結(jié)果表明,該方法有效降低了三維場景的復(fù)雜度。

        關(guān)鍵詞:多層次細(xì)節(jié)模型 網(wǎng)格簡化 三維場景模型 邊折疊算法

        中圖分類號:TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2017)09(c)-0113-02

        隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)的普及、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用和理論研究已經(jīng)成為當(dāng)今信息技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)最熱門的研究,在實際應(yīng)用中,大規(guī)模的虛擬現(xiàn)實場景內(nèi)有很多復(fù)雜的模型,由于計算機(jī)硬件和網(wǎng)絡(luò)速度的限制,場景在加載過程中,無法進(jìn)行實時顯示。因此,為了解決這個問題,本文采用邊折疊算法對模型進(jìn)行場景內(nèi)模型優(yōu)化,不僅可提高加載速度,同時也給用戶帶來更好的真實體驗。

        1 細(xì)節(jié)層次模型(LOD)

        細(xì)節(jié)層次模型是指針對同一個對象模型,利用不同細(xì)節(jié)的描述方法得到一組模型。在實際繪制當(dāng)中,以視點距離對象模型的遠(yuǎn)近為依據(jù)進(jìn)行繪制。當(dāng)距離近時,利用較細(xì)致的LOD模型來繪制;當(dāng)距離較遠(yuǎn)時,便利用粗糙的LOD模型來繪制。在運動物體的場景中,當(dāng)物體移動速度快時,利用粗糙的LOD模型來繪制,當(dāng)物體移動速度較慢或者處于靜止時,利用細(xì)致的LOD模型來繪制。

        2 LOD模型的生成

        在計算機(jī)圖形學(xué)內(nèi),多邊形網(wǎng)格經(jīng)常被用來描述場景內(nèi)的對象模型,為物體提供不同層次的LOD模型,可有效控制場景復(fù)雜度及加速圖形繪制速度。而LOD模型通常是由網(wǎng)格簡化算法生成的。所謂網(wǎng)格簡化,就是在保持原網(wǎng)格模型的外觀特征基礎(chǔ)上,通過一些方法,減少頂點數(shù)量,將原始模型用近似模型表示出來。常用的方法是將對模型外觀特征影響不大的或不重要的頂點、三角形或邊從多邊形網(wǎng)格中移走,進(jìn)而簡化模型。簡化過程遵循的原則是:(1)頂點最少原則;(2)誤差最小原則;(3)效率最高原則。

        3 幾何元素刪除型算法

        該算法主要是對網(wǎng)格模型邊、三角形或者中點的重要性進(jìn)行判斷,將不重要的部分進(jìn)行刪除,再把刪除后的空洞進(jìn)行重新網(wǎng)格化,通過此方法來簡化網(wǎng)格。

        該簡化方法主要可分為:近似平面合并型、折疊型和頂點刪除型。三角形算法和邊折疊算法是折疊型算法的主要兩種基本算法,主要思想是對網(wǎng)格中的三角形或者邊進(jìn)行折疊誤差計算,選擇折疊誤差小的三角形或者邊進(jìn)行折疊,生成新的頂點后,把與之有關(guān)聯(lián)的點進(jìn)行連接,然后將折疊區(qū)域重新網(wǎng)格化。邊折疊算法的過程如圖1所示。

        邊折疊算法也稱二次誤差測度算法(Quadric Error Metric,QEM),不僅運行速度快、內(nèi)存消耗小,算法計算簡單且簡化后的網(wǎng)格與模型具有非常高的整體相似度。本文將原來的二次誤差測度算法(QEM)進(jìn)行改進(jìn),利用改進(jìn)的QEM算法對場景建模進(jìn)行優(yōu)化處理。

        4 改進(jìn)的二次誤差測度算法(QEM)

        具體步驟如下。

        (1)讀入原始網(wǎng)格數(shù)據(jù),其中包含網(wǎng)格內(nèi)的頂點坐標(biāo)和與其連接的三角面片的頂點、序列等數(shù)據(jù)信息。

        (2)求出網(wǎng)格內(nèi)各個頂點的離散曲率K(v)由式得出和局部區(qū)域面積LRA(v),將這兩個加權(quán)因子與矩陣Q(v)進(jìn)行加權(quán),得到網(wǎng)格內(nèi)每個頂點的二次誤差矩陣Q'(v):

        式中,K(Lv)為包含頂點v的邊的高斯曲率,Kv為頂點v的高斯曲率。

        Kv的表達(dá)式為:

        式中,為頂點v的鄰接夾角;n為與頂點v相關(guān)聯(lián)的三角形數(shù)目;(v)為頂點v的鄰接三角網(wǎng)格面積之和,即局部區(qū)域面積(LRA)。

        二次誤差矩陣表達(dá)式為:

        (3)通過輸入適當(dāng)?shù)暮线m的閾值w=0.9,判斷是否為邊界,若為邊界,則設(shè)置。

        (4)根據(jù)步驟2得到每個頂點的二次誤差矩陣Q(v),從而計算得出每條邊的收縮代價c,若(v1,v2)→收縮代價表達(dá)式為:

        將其放入堆棧中,c值越大,在棧中的位置越靠后,反之,越靠前。

        (5)從堆棧中取出收縮代價最小的邊進(jìn)行收縮操作,即棧頂,同時更新網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),對新的邊折疊代價進(jìn)行計算并且更新堆棧序列。

        (6)如果達(dá)到理想簡化要求,則算法結(jié)束,否則繼續(xù)重復(fù)上述過程,直到滿足簡化要求。

        5 實驗結(jié)果

        通過邊折疊法對場景內(nèi)的模型進(jìn)行優(yōu)化處理,優(yōu)化后的場景不僅具有原有的特征,同時降低了場景復(fù)雜度,提高了加載速度(見圖2、圖3)。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 張欣,秦茂玲,謝堂龍.基于特征保持的三角形折疊網(wǎng)格簡化算法[J].計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2012,22(1):94-97.

        [2] 俞靜.三維復(fù)雜場景優(yōu)化處理的研究與實現(xiàn)[D].成都:西南交通大學(xué),2011.endprint

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