CN106530374A - 一种vr模型的层次细节处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种VR模型的层次细节处理方法，解决了动画过程中产生的光斑闪烁问题以及能够加快操作时的实时渲染速度，通过OpenGI技术对VR进行二次开发，应用不同视角多层次分辨率显示算法，解决了计算机渲染效果差、显示速度慢的问题，可根据物体模型节点在显示环境中所处的位置和重要度，决定物体渲染的资源分配，降低非重要物体的面数和细节度，从而获得高效率的渲染运算，进而在实时图形绘制生成时，根据视点的不同对复杂模型进行有选择的实时细化，可以生成初始精细模型和粗糙模型之间的具有无数不同细节度的中间模型，避免了因对事先生成的若干离散LOD模型进行逐一存储而出现的图像“跳跃”现象，节约了模型的存储空间，也使图像具有连续性。

Description

一种VR模型的层次细节处理方法

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术领域，特别是涉及一种VR模型的层次细节处理方法。

背景技术

虚拟现实技术是一种高度逼真地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的人机界面技术，以其关键技术所支撑的多维信息空间使参与者产生高度逼真的“现实”感觉。其中，视觉通道是虚拟环境系统中最重要的接口。一般相信，人类从外界获得的信息近80％是通过人的视觉得到的。

人的视觉系统是非常敏感和严格的，任何不满足物理学和光学定律的运动视视景、任何同步不好的视频序列都会给视觉系统带来额外的刺激，严重影响虚拟环境的“现实感”。因而，对于虚拟现实的虚拟环境而言，随着参与者的活动即时产生相应的图形画面的实时图形视觉效果无疑是产生现实感觉的必要条件。

有两种重要指标衡量用户所沉浸于虚拟环境的效果和程度。其一是动态特性，其二是交互延迟特性。自然的动态特性要求每秒生成和显示30帧图形画面，至少不能少于10帧，否则将会产生严重的不连续和跳动感。交互延迟是影响用户感觉的另一个重要指标。对于人产生的交互动作，如飞行模拟时飞行位置、方向的控制，系统的图形生成必须能立即作出反应产生相应的环境和场景。其间的时间延迟不应大于0.1秒，最多不能大于四分之一秒。否则在长期的工作中，人会产生疲劳、烦躁甚至恶心的感觉，严重地影响“现实”的效果。以上两种指标均依赖于系统生成图形的速度。对于动态图形效果而言，每帧图形的生成时间局限于30～50毫秒；而对于交互延迟，除包含对于交互输入及其处理时间外，图形生成速度亦是重要因素。显而易见，图形生成速度成为虚拟现实的重要瓶颈。

图形生成的速度主要取决于图形处理的软硬件体系结构，特别是硬件加速器的图形处理能力。

自八十年代图形工作站作为计算机新机种出现后，图形工作站的图形处理能力已得到很大的提高。但随着计算机图形学在各领域应用的不断扩展，人们对图形工作站的实时绘制能力提出了更高的要求。据Molnar估计，以每秒30帧的画面生成速度绘制一个具有100,000个多边形的场景，图形工作站的硬件速度必须达到每秒300兆浮点计算、750兆的整数计算以及450兆次对帧存储器访问的能力。要满足日益增长的要求，图形生成的并行处理势在必行。

就每秒处理多边形的数目而言，目前仍处于研究状态的北卡大学的两种大规模并行图形工作站—PIXEL-PLANE系列机和PIXELFLOW无疑代表了当今高度并行的图形硬件加速器的最高水平。传统的图形硬件加速器一般将图形的生成过程划分为几何处理(包括视见变换、投影及裁剪等)和绘制两部分。传统的图形生成的并行处理主要利用这两个阶段处理的图形单元的无关性，通过多重相同结构的硬件处理器来提高总体运行速度。在几何处理阶段，根据各种分配策略，采用SIMD或MIMD的体系结构，将各图形处理单元均衡地分布在各处理部件上。在绘制阶段，由于帧缓冲存储器存取带宽是制约绘制速度的主要瓶颈，现有的并行结构大多利用商业化高速缓冲存储器—交错存取存储器，为各组存储单元分配自己独有的绘制部件以达到高的并行处理性能。以上在图形生成两阶段实行的并行处理在各并行图形工作站上往往是不相关的。北卡大学的设计者们认为要达到高性能的图形处理，必须打破传统的计算机图形工作站硬件的这种体系结构，利用成熟的图象合成技术将两者有机地结合起来。基于这种思想，北卡大学推出了两种大规模并行图形工作站—PIXEL-PLANE系列机和PIXELFLOW。其中于1992年推出的PIXELFLOW利用硬化的图像合成，将由不同处理机绘制的部分场景的全屏幕图像合成为整个场景的图形画面。PIXELPLANE系列机则是八十年代初开始推出的大规模图形生成并行处理工作站。其主要思想是利用物体的边界方程将屏幕空间划分成可并行处理的象素块，落在各子空间范围的物体由多个并行绘制处理器并行绘制，最后拼合为一个全屏幕的图形画面。该大学于1990年推出的PIXEL-PLANE5具有每秒绘制1兆具有phong光照模型的多边形的处理能力。目前该系统已被应用于一些VR系统。其中包括北卡开发的名为Nanomanipulator(纳米操作装置)的VR系统。该系统将高精度(纳米级)检测设备所采集的被观察表面的数据转化为用户定义的数量级数据，同时实时生成所观测表面的画面。观察者可根据观察结果对被观测表面进行实时修改，并将检测设备实时采集的经过表面修改后的数据反馈给图形绘制工作站。该系统利用PIXEL-PLANE5对多个图形处理器直接编程的能力，将反馈结果对图形画面的修改局限于局部范围，从而实时生成观察者对观测表面修改后的画面。该系统具有很高的实用价值，如使用在纳米级的电子线路设计中。

虽然高度并行的图形处理硬件具有相当强大的图形处理能力，但如何对于各种应用问题充分地利用并行处理机的并行性常常是一个很大的难题。这意味着如果不能充分地利用其并行处理能力将是对资源的浪费。在实际应用中，大多数的VR系统仍然采用现有的图形工作站作为其图形绘制的平台。

在当前三维图形工作站的群雄竞争中，SGI工作站作为最杰出的代表具有最优越的三维图形功能。事实上，SGI工作站的发展历程代表着研究部门和工业界十多年来在图形硬件方面为计算机图形处理的发展所作的艰苦而卓越的努力。在八十年代初，正是SGI公司的创始人James Clark教授将三维图形生成的最基本功能—几何变换的矩阵运算完全使用大规模集成电路加以实现，从而为三维图形流水线的主要功能，即坐标变换、三维投影和图形裁剪等的实现奠定了硬件实现的基础。在此基础上，一代一代升级的图形硬件加速器为SGI的系列工作站提供了越来越快速的图形处理能力。甚至某些重要而高级的图形特性，如纹理映射、景深等功能也可由硬件实现[Haeberli90],使得诸多领域如地理地貌、建筑漫游、科学计算可视化等VR系统的实时环境具有更强的真实感。当今SGI最先进的图形加速器已具备每秒绘制超过1兆具有浓淡光照的多边形的能力。为此，最典型的VR系统常常是使用高档的SGI工作站作为其实时图形绘制的处理机，而使用单独的微机作为输入/输出的交互处理。二者用Ethernet等局部网联接。当需要为双眼产生不同的立体图像时，往往用两台相同的工作站或多处理机的两台处理机分别作左、右眼的图形生成。使用头盔式显示器作为其视觉环境的虚拟现实系统通常是采用这样的硬件系统配置。

除采用头盔式显示器作为视觉环境，虚拟现实系统另一种典型视觉环境是创造一种用户身在其中的影视环境。Illinois大学设计实现的CAVE系统是这种VR系统的典型代表。系统开发者从环幕电影得到启发，利用今天高性能的图形工作站平面投影绘制能力和高精度的投影设备，设计出这样一种基于投影的无障碍式、融真实世界与虚拟世界为一体的VR系统。CAVE的可视化环境是一个由四个包围着观察者的投影面(前、后、左、右)组成的四方形空间。系统配备五台SGI工作站。其中四台完成四个投影面的图形生成；另外一台负责信息传输和各处理机的协调工作。观察者只须配备轻便的立体眼镜和头部跟踪器就能感受到投影图像充满着空间。随着观察者在此空间的自由漫游，观察者可以观察到周围“环境”的动态变化，并能观察到自己的身体，给人以较“真实”的沉浸感。同时，系统根据观察者离屏幕的远近，由远端超级计算机实时生成逐步求精的科学可视数据，并由SG完成绘制。CAVE已成功地应用于各科学可视化系统中。其中由Illinois大学开发的用于观察美国国家航天航空局卫星观测数据FIFE的基于CAVE科学可视化环境的VR系统SANBOX成功地为人们展示了曼哈顿周围20x20平方公里120GiGa的气象卫星观测数据。

允许多个用户同时进入的虚拟网络系统是虚拟现实的另一种典型体系结构。这种类似于客户/服务器的虚拟网络分布式系统将各种任务的模拟分散在由LAN或EtherNet连接的多个工作站上。该种系统结构不仅能充分利用已有的设备，而且便利于远端计算机的加入，以允许多用户同时进入虚拟环境。例如大规模作战人员参加的虚拟战场演示环境就是这种分布式体系结构的典型应用环境。1989年，美国国家先进技术研究总署基于陆战演示分布式系统SIMNET开发了虚拟飞行作战演示系统DIS。该系统由位于美国本土及加拿大的多个虚拟座舱通过网络连接而成。虚拟座舱由一台SGI公司的多处理器图形工作站4D/440VGTX通过光缆与头盔显示器、头部跟踪器及控制杆连接而成。由于UNIX系统的分时特性，使得系统对飞行动力模型的访问时间间隔较长，从而引起飞行模拟的错误。为减小对飞行动力模型的访问时间间隔，系统将动力模型参数更新进程的访问时间间隔划分为20个更小的时间间隔。同时，系统分配不同的处理器分别管理飞行动力模拟与绘制和网络界面进程以加快系统对飞行动力模型的访问。为减少网络传输量、降低由于网络传输带来的延迟，系统根据预测推算算法(Dead Rechoning)发送消息，并根据最近接受的远端虚拟器的消息来推断其位置和状态。

虚拟现实系统的软硬件结构涉及到如何有机地协调多输入/输出、动态模拟及图形综合等多任务。系统在处理多种输入输出以及大量模拟计算的同时，必须使用户在视点改变后即时感受到场景的变化，这是虚拟现实系统是否成功的决定性因素之一。为保持较高的帧频率，虚拟现实系统通常将各进程放置在异步运行的处理机上。系统必须协调处理好各进程之间的关系，否则系统对用户交互的反应将会受到严重的影响。例如VPL公司的Electric/ISAAS因为输入设备交由应用计算进程管理，尽管绘制进程和应用进程分置在不同处理机上，绘制进程却必须等待应用计算进程的信息才能反应用户的交互动作，使得绘制进程受限于应用计算进程的更新率。为改进对用户交互的实时反应，Alberta大学开发的虚拟环境建模系统MR将计算进程和应用进程放置于不同的处理机上，并将绘制等输入/输出进程交由应用进程管理。但该系统不提供应用进程和计算进程的协调工作，用户必须花很大精力协调二者。与此相对照的是，Virginia大学开发的虚拟环境建模系统DIVER将输入设备直接与绘制数据库相连，使得系统在应用计算进程进行复杂计算的同时，用户仍能随视点的改变看到连续动态的画面，以伴随虚拟场景的缓慢变化。同时系统提供放置于不同处理机上的应用计算进程和绘制进程的“透明”性协调工作，极大地方便了虚拟现实系统的开发。

发明内容

本发明的目的是提供一种VR模型的层次细节处理方法，实现了VR模型的层次细节动态简化。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种VR模型的层次细节处理方法，包括如下步骤：

步骤S1，对于给定的VR模型，获取所有的顶点，对所有的顶点，分别计算各个顶点折叠到邻近顶点的代价cost，即此顶点到邻近顶点的位移，并记录最小边的折叠代价值和顶点位置坐标；

步骤S2，比较所有顶点最小边的折叠代价值，按折叠代价由小到大排列，建立代价值列表；

步骤S3，给定边折叠代价的范围为0＜cost＜δ，若代价列表中点a最小的折叠代价为ab边，且其折叠代价值cost(mina)＜δ，则要对边ab执行折叠操作，将顶点b折叠到顶点a；

步骤S4，移去顶点b和包含边ab的三角形，并用顶点a替代三角形中的顶点b；

步骤S5，重新计算顶点a折叠到邻近顶点的最小边折叠代价值，更新代价值列表；

步骤S6，重复第步骤S2到步骤S5。

本发明的有益效果：

本发明所提供的一种VR模型的层次细节处理方法，解决了动画过程中产生的光斑闪烁问题以及能够加快操作时的实时渲染速度，通过OpenGL技术对VR进行二次开发，应用不同视角多层次分辨率显示算法，解决了计算机渲染效果差、显示速度慢的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明的原理示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种VR模型的层次细节处理方法，实现了VR模型的层次细节动态简化。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种VR模型的层次细节处理方法，该方法包括如下步骤：

步骤S1，对于给定的VR模型，获取所有的顶点，对所有的顶点，分别计算各个顶点折叠到邻近顶点的代价cost，即此顶点到邻近顶点的位移，并记录最小边的折叠代价值和顶点位置坐标。

步骤S2，比较所有顶点最小边的折叠代价值，按折叠代价由小到大排列，建立代价值列表。

步骤S3，给定边折叠代价的范围为0＜cost＜δ(δ可根据视距与模型尺寸的比例适当调整；视距一定时，δ越大，三维实体显示的三角形面数越少，图像越模糊)，例如代价列表中点a最小的折叠代价为ab边，且其折叠代价值cost(min a)＜δ，则要对边ab执行折叠操作，将顶点b折叠到顶点a。

步骤S4，移去顶点b和包含边ab的三角形，并用顶点a替代三角形中的顶点b。

步骤S5，重新计算顶点a折叠到邻近顶点的最小边折叠代价值，更新代价值列表。

步骤S6，重复第步骤S2到步骤S5。

本发明所提供的一种VR模型的层次细节处理方法，解决了动画过程中产生的光斑闪烁问题以及能够加快操作时的实时渲染速度，通过OpeGl技术对VR进行二次开发，应用不同视角多层次分辨率显示算法，解决了计算机渲染效果差、显示速度慢的问题。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种VR模型的层次细节处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，对于给定的VR模型，获取所有的顶点，对所有的顶点，分别计算各个顶点折叠到邻近顶点的代价cost，即此顶点到邻近顶点的位移，并记录最小边的折叠代价值和顶点位置坐标；

步骤S2，比较所有顶点最小边的折叠代价值，按折叠代价由小到大排列，建立代价值列表；

步骤S3，给定边折叠代价的范围为0＜cost＜δ，若代价列表中点a最小的折叠代价为ab边，且其折叠代价值cost(min a)＜δ，则要对边ab执行折叠操作，将顶点b折叠到顶点a；

步骤S4，移去顶点b和包含边ab的三角形，并用顶点a替代三角形中的顶点b；

步骤S5，重新计算顶点a折叠到邻近顶点的最小边折叠代价值，更新代价值列表；

步骤S6，重复第步骤S2到步骤S5。