虚拟环境下基于视角的三角化模型简化方法研究

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在实时渲染与仿真时,大数据模型的渲染精度与其渲染速度之间存在矛盾。为了提高大规模数据量模型的渲染速度,减少渲染延迟的产生,解决方法有两种:一是提升计算机硬件条件,此方法最为简单,但是其具有价格昂贵的缺点,同时计算机硬件的提升是存在上限的;二是对模型进行简化,简化后模型的数据量减少,可以提高其渲染速度。对于渲染模型来说,看不见的部分都应该简化掉,以减少渲染时间。而渲染时间与参与渲染的三角形数量息息相关。而为了减少三角形数量所采取的降低离散精度的方法,会导致渲染出来的模型发生变化,不能真实地展现原有的形状,出现失真的效果。采用优化的离散算法,既保持精度,又减少三角形数量,以及采用LOD方法来达到最佳的三角形数量,都不能从根本上去掉不可见三角形,即在同等三角形数量下,不可见的三角形网格还是参与到模型的渲染过程中。对于外形质量和渲染精度要求较高的模型而言,例如汽车造型,现有的模型简化方法仍有其局限性,通常是通过交互式的方法,去除模型中不可见的三角形面,这种方法可以在保持外形不发生变化的前提下简化模型,但是同时也存在着依赖人工,费时费力以及效率较低的缺点。针对上述问题,本文探讨了基于视角的三角化模型简化的相关算法,力图自动去掉不可见的三角形,只保留可见的三角形参与渲染,从而减少渲染时间。由于STL格式的数据文件记录的是三角形网格信息,因此本文以其为媒介,来进行三角形可见性的分析判断。通过分析STL模型文件的结构,定义了多视角下三角形网格存储、分析和判断所需的数据结构。通过分析三角形面的空间形态特征,探讨了三角形面的空间形态相关算法,提出了可实现基于视角的三角形网格简化的混合算法。混合算法由法线可见性,三角形面颜色索引,颜色剔除法以及修正算法组成,其中法线可见性用于去除法线朝向屏幕内侧的三角形面,三角形面颜色索引和颜色剔除的作用是基于屏幕像素去除被遮挡的三角形面,修正算法用于找回由于屏幕像素丢失的可见三角形面。针对模型的大规模动态渲染,为满足模型大规模动态渲染时视角连续变化的需求,提出了适用于动态视角范围的三角形网格简化的多视角算法。通过分析三角形面与点、线和面的空间位置关系,提出了三角形面覆盖关系的矢量分析算法,该算法可以取代基于像素的修正算法所需的交互操作,并从根本上解决基于像素的算法所导致的三角形面的缺失。最后基于STL模型文件简化的混合算法,使用C++和Open GL开发了可实现基于视角的STL模型文件简化功能的原型测试系统。以一个货车的STL模型文件作为实例,使用原型测试系统对其进行了简化,其数据压缩率为36.40%,使用实时VR渲染系统对简化后的STL模型文件进行渲染,渲染时间明显变短,而渲染精度保持不变,验证了原型测试系统及其相关算法的可行性和可靠性。
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