面向交互式移动三维图形的网格简化与显示方法研究

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近年来,无线网络、移动计算、数字家庭技术取得巨大发展,越来越多的基于移动计算技术的新应用不断涌现,其中也包括了如移动三维导航、移动产品展示、数据可视化、掌上游戏等在内的越来越多的交互式移动三维图形应用。一方面,人们对实时交互的操纵三维图形的要求越来越高;另一方面,移动计算终端计算能力和存储器容量相对较低、显示屏幕较小、电池电量有限等固有特点,都制约着移动计算终端交互的显示高精度三维图形的能力。这一矛盾决定了移动计算终端上的交互式三维图形计算正成为一个十分具有挑战性的课题。 由于移动计算终端计算能力和存储器容量相对较低,且显示屏幕小、分辨率低,交互式的显示高精度图形不可行且并非十分必要。因此,为了实现交互式移动三维图形的目的,有必要对三维场景数据进行网格简化。此外,无线网络环境带宽相对较低、可靠性相对较差,因此针对移动环境的移动图形传输与显示方式的研究也是十分有必要的。由此可见,研究网格简化与移动三维图形的传输显示方法,对于交互式的移动三维图形应用来说有着十分重要的意义。针对无线网络环境和移动计算终端固有的特点,本文研究了三维网格图形的简化方法和移动三维图形的渐进式传输与重构显示方法,为移动计算环境下的交互式三维图形应用提供了切实可行的支撑方案。 本文提出一个基于单位法向量变化的特征保持的边折叠简化方法。该方法以边折叠为基础,通过量化边折叠对模型外观的影响,并在进行边折叠时选择对模型外观影响较小的顶点进行移除,提出了一个基于单位法向量变化的用于三角形网格简化的边折叠策略:此外,为了在简化时更好的保持三维模型的外观特性,通过识别出模型的特征点以及边界点的方式,提出了一个三维图形关键特征的识别及保持策略。根据所提出的边折叠策略和特征保持策略,形成一个完整的基于I单位法向量变化的特征保持的边折叠简化方法,实现了任意三角形网格模型的渐进式简化。实验结果表明,本简化方法可以在保持模型外观的同时有效的降低模型的数据规模,从而为在移动计算终端上交互式的显示三维图形提供基础。 本文提出一个基于Kobbelt细分逆过程的高效图形简化方法。该方法根据Kobbelt四边形插值型细分方法的思想,构造利用其细分逆过程进行的渐进式简化:分析可以令四边形网格模型进行简化的条件,通过利用已知偶点递归寻找其余所有偶点的方式,提出了对奇偶顶点进行分裂的算法;通过利用将要移除的奇点中的面点联系其外围四个偶点的方式,提出了重建四边形的算法。结合所提出的奇偶顶点分裂算法和四边形重建算法,形成一个完整的基于Kobbelt细分逆过程的高效图形简化方法,实现了对四边形网格模型的渐进式简化。实验结果表明,本简化方法可以进行大幅度的四边形网格图形简化,为需要进行大幅度简化的交互式移动三维图形应用提供基础。 本文提出了两种移动三维图形渐进式重构显示的方法,分别是一种适用于多种简化算法的重构显示方法,以及一种针对边折叠简化方式的更高效的重构显示方法。前者通过渐进式的读取细节文件信息,把其中的顶点信息与简化模型中的顶点信息相结合,再加入原模型的面的信息,来渐进式的重构网格模型。后者通过读取基网格文件以及各层次的细节文件,渐进式的更新两个显示数组中的几何元素数据,来渐进式的重构显示网格模型。实验结果表明,这两种渐进式重构与显示方法运行快速,非常适合移动计算终端计算资源受限、电池电源有限的特点,为交互式移动三维图形的显示提供了良好的方案。 以上的简化方法和移动三维图形渐进式重构显示方法结合起来,共同形成一个网格简化--渐进式传输--移动三维图形渐进式重构显示的综合应用架构,共同实现了本文的交互式移动三维图形的目的。随着移动计算技术的发展,移动三维图形的应用将会越来越多,本文的研究成果为交互式移动三维图形的实现提供了良好的方案,在移动三维导航、移动产品展示、数据可视化、掌上游戏等实时交互三维图形应用方面具有非常好的应用前景。
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