專利名稱：面向大規(guī)模靜態(tài)場景實時渲染的hlod預處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種面向由多個大數(shù)據(jù)量模型組成的大 規(guī)模場景實時渲染預處理方法，用于真實感虛擬環(huán)境的繪制。
背景技術(shù)：
隨著三維采集設備和建模技術(shù)的不斷發(fā)展，三維模型的精度越來越高，其數(shù)據(jù)量也隨之迅 速增長，對計算機的繪制能力提出了巨大挑戰(zhàn)。如何實現(xiàn)由多個大數(shù)據(jù)量模型組成的大規(guī)模場 景的實時渲染，是虛擬現(xiàn)實、實時仿真以及交互三維設計等許多重要應用的底層支撐技術(shù)，也 是計算機圖形學本身的一個基礎(chǔ)性研究課題。
LOD技術(shù)是圖形生成加速渲染方法中的一種主要方法。早在1976年，Clark就提出了層次 細節(jié)(Levels of Detail, LOD)模型的概念(參見 Clark J. Hierarchical Geometric Models for Visible Surface Algorithms [A〗.Communications of the ACM， 1976. 547- 554.)，認為當物體覆蓋屏 幕較小區(qū)域時，可以使用該物體較低分辨率的模型，反之則使用較高分辨率模型，以便對復雜 場景進行快速繪制。目前的LOD技術(shù)可以分為離散LOD和連續(xù)LOD兩類。
離散LOD中的模型層次是按照逐漸簡化的順序排列的，相互之間沒有外在聯(lián)系，在繪制時， 選擇合適的層次進行渲染。離散LOD計算簡單，繪制快捷，但其層次有限，因而不能滿足多種 應用的需求。而由于其剖分粒度過粗，以模型為單位，對于大尺度模型，由于近視點和遠視點 區(qū)域都采用同樣的LOD層次，這樣就影響了細節(jié)性的繪制并造成了額外的繪制開銷。
連續(xù)LOD就是為了解決這些問題而提出來的，它允許同一個模型上的LOD層次連續(xù)變化 (參見M. de Berg and K. Dobrindt, "On the Levels of Detail in Terrains", Technical Report UU-CS-1995-12， Department of Computer Science, Utrecht University, April 1995.)廣泛應用在大 型模型和地形模型的瀏覽中。但連續(xù)LOD計算復雜，多數(shù)要在網(wǎng)格簡化中生成某種記錄結(jié)構(gòu)， 從而在渲染時根據(jù)視點信息進行重建，在提高了繪制視覺效果的同時，也增加了繪制的開銷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種面向大規(guī)模場景實時渲染的HLOD預處理方法.相對于離散LOD 提供了較好的細節(jié)性繪制；相對于連續(xù)LOD又減少了渲染的復雜度，從而滿足大規(guī)模靜態(tài)場景 實時渲染得需要。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案面向大規(guī)模靜態(tài)場景實時渲染的HLOD預處理方法；首先進行單
模型HLOD (Hierarchical Levels of Detail)的預計算；然后對預計算結(jié)果進行存儲，根據(jù)場景 載入所需要的單模型HLOD信息，進行場景HLOD的預計算；最后根據(jù)用戶指定的誤差基于視 點對HLOD進行選擇和渲染。
所述的單模型HLOD的預計算的方法如下首先計算單模型的中心和尺寸，根據(jù)指定的剖 分粒度iV進行Octree剖分，剖分停止條件是當前包圍盒中的頂點數(shù)"SW，在剖分過程中，父節(jié) 點保存剖分邊界面；然后自底向上建立HLOD結(jié)構(gòu)，并根據(jù)設計的HLOD文件格式進行輸出存 儲，加強復用性。
所述的場景HLOD的預計算的方法為根據(jù)場景所需模型，逐個載入建立好的單模型 HLOD，對單模型的包圍盒進行融合，得到場景包圍盒,并進行場景的Octree剖分，剖分的停止 條件為當前包圍的單模型數(shù)目mS2，從而得到場景模型結(jié)構(gòu)；然后自底向上建立場景HLOD。
所述的根據(jù)用戶指定的誤差基于視點對HLOD進行選擇和渲染方法為根據(jù)用戶指定的屏 幕像素誤差N，轉(zhuǎn)化為空間距離誤差E，從場景根節(jié)點遍歷場景Octree和單模型Octree,當HLOD 的簡化誤差《E時，選擇此HLOD進行渲染。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是-
(1) 由于本發(fā)明首先進行單模型HLOD的預計算；然后對預計算結(jié)果進行存儲，根據(jù)場景 載入所需要的單模型HLOD信息，進行場景HLOD的預計算；最后根據(jù)用戶指定的誤差基于視 點對HLOD進行選擇和渲染。因此，相對于離散LOD提供了較好的細節(jié)性繪制；相對于連續(xù) LOD又減少了渲染的復雜度，預計算結(jié)果得到了保留，增加了應用的重用性。
(2) 對單模型進行粒度為W的Octree剖分，自底向上建立HLOD，繪制時根據(jù)視點選擇 剖分塊數(shù)目眾多的HLOD層次，避免了離散LOD繪制的單一化，從而在繪制時提供了較好的細 節(jié)；在繪制時，本發(fā)明可以對HLOD進行簡單并高效地選取，減少了繪制復雜度，而連續(xù)LOD
還要根據(jù)折疊樹進行以面片為單位的遍歷。
(3) 本發(fā)明設計了一種HLOD文件格式對計算結(jié)果進行了保存，當場景變化時，不用再次 計算單模型的HLOD，從而增加了應用的重用性。


圖1為本發(fā)明的面向大規(guī)模靜態(tài)場景實時渲染的HLOD預處理方法流程圖； 圖2為本發(fā)明的單模型Octree剖分邊界保留圖示； 圖3為本發(fā)明的單模型HLOD渲染圖示圖； 圖4為本發(fā)明的HLOD文件格式圖5、圖6為本發(fā)明采用基于視點和用戶指定誤差進行HLOD選擇和渲染的圖示。
具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明的具體實施方法如下 1.單模型HLOD的預計算 1.1單模型的Octree剖分
對所有頂點坐標取平均值得到包圍盒的"Wer,再取所有頂點到中心的最大距離的兩倍作為 包圍盒的^e。預先規(guī)定模型Octree的剖分粒度所對應的頂點數(shù)/m'"FertM^n=500，只要包圍盒 空間含有的頂點數(shù)目少于m&reWVww，包圍盒對應的節(jié)點就停止剖分。由于Octree的剖分必定 會產(chǎn)生邊界面片，而這些面片在自底向上的HLOD建立中，不能參與化簡，否則會在模型的各 個部分之間產(chǎn)生縫隙，所以要對每一次剖分產(chǎn)生的邊界進行保留，單模型Octree剖分邊界保留 渲染如圖2所示。
1.2單模型HLOD的遞歸建立
Octree建立好之后，就可以進行自底向上單模型HLOD的構(gòu)建了 。從葉子節(jié)點開始，建立 模型的HLOD結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用一種保留幾何及屬性邊界的網(wǎng)格簡化方法[6]對剖分后的模型分 塊進行化簡。以下是建立模型HLOD的算法描述
Stepl.如果當前節(jié)點"o&是否葉子節(jié)點，則把其當前未簡化的幾何信
息作為最精細層L0D1，而將L0D1的面片簡化到1/2得到次精細層LOD2，將LOD2簡化到 1/2得到最粗層LOD3，在簡化過程中同時得到各個LOD與原始幾何信息對應的空間距離誤差 cfoto"ce五nw，它是逐漸疊加的值。
Step2.若w&不是葉子節(jié)點，則先對其非空子節(jié)點調(diào)用
Stepl——Step2來構(gòu)建HLOD，這是個遞歸調(diào)用過程。當node的所有非空子節(jié)點構(gòu)建完 HLOD后，進行如下操作
(1) 將所有子節(jié)點的最初粗層HLOD的幾何信息和它們之間的邊界信息(子節(jié)點之間的邊 界保存在父節(jié)點中)聯(lián)合起來，得到m^/z^7femp，
(2) 將me^^7fewp進行面片數(shù)減半的化簡，得到最精細層HLODl，依次得到次精細層 HLOD2和最粗糙層HLOD3，
(3) 對于非葉子節(jié)點，其^feto"ce五nw取其子節(jié)點中的最大空間距離誤差值。
對Octree的根節(jié)點調(diào)用上述過程，遞歸地建立整個Octree的HLOD結(jié)構(gòu)。在HLOD建立 過程中，將屬于同一紋理的面片歸為同一組，避免在繪制過程中紋理的頻繁切換，從而進一步 提高渲染效率。圖3是選取單模型第2層Octree節(jié)點不同層次HLOD的渲染結(jié)果。
1.3單模型HLOD文件格式的設計
當單模型較大時，建立HLOD是比較耗時的。為提高渲染效率本發(fā)明設計了一種HLOD的 文件格式，對己構(gòu)建好HLOD的模型進行二進制分塊存儲。.這樣即使場景有改動,,也不用對所有模型進行再次預處理，得到了各個模型的HLOD數(shù)據(jù)文件，就可以直接導入進行場景HLOD 的構(gòu)建，從而大大減少了場景變動后的HLOD預處理時間。HLOD的文件格式如圖4所示，包 括-文件頭、Octree結(jié)構(gòu)信息和節(jié)點數(shù)據(jù)信息三個部分。其中文件頭描述三維模型的全局信息，
包括模型包圍盒中心、包圍盒尺寸、頂點數(shù)目、面片數(shù)目和材質(zhì)數(shù)據(jù)，以便支持紋理；結(jié)構(gòu)
信息部存儲了 Octree結(jié)構(gòu)，包括Octree編碼信息和節(jié)點描述信息，用來在讀取時恢復Octree 結(jié)構(gòu)；節(jié)點數(shù)據(jù)信息是每個Octree節(jié)點包含的數(shù)據(jù)信息，包括邊界面片數(shù)據(jù)、HLOD數(shù)據(jù)。
為了將Octree的結(jié)構(gòu)信息進行記錄，本發(fā)明采用了 J.Peng, C,C. J. Kuo， Geometry-guided progressive lossless 3D mesh coding with octree (OT) decomposition. ACM Transactions on Graphics, 24(3), 2005: 609-616中的編碼方法對Octree的節(jié)點信息進行了編碼，從而得到了 Octree節(jié)點信 息編碼和Octree節(jié)點描述碼。節(jié)點描述碼是標識節(jié)點是否葉子節(jié)點的碼段，和節(jié)點信息編碼合 在一起，就可以重構(gòu)出原Octree結(jié)構(gòu)。下面是構(gòu)建節(jié)點編碼段oc^eeO^fe和節(jié)點描述碼段 "ocfeD/scr桝kw的簡略算法描述
Stepl.把Octree的根節(jié)點放入隊列
Step2.從wo^Qwew中取出一個節(jié)點，遍歷它的8個子節(jié)點，進行如下操作
(1) 若子節(jié)點為空，則把0放入oc/reeCocfe容器，若非空，則把1放入oc加eQ^e;
(2) 若子節(jié)點是葉子節(jié)點，則把l放入/w&i)^r妙'M容器，若是非葉子節(jié)點，則把0放入 jwcfeltocnjjrtora,并將此非葉子節(jié)點加入到Mo^fegwewe隊列中
Step3.重復Stel-Step2,直到nocfegwewe為空
為了將各個節(jié)點的信息在讀入HLOD文件時放入相應的Octree節(jié)點中，必須在讀取HLOD 數(shù)據(jù)之前重構(gòu)模型原來的Octree結(jié)構(gòu)，所以在HLOD文件中把Octree結(jié)構(gòu)信息放于節(jié)點信息之 前。HLOD文件的第3部分記錄的是各個節(jié)點的HLOD信息和邊界信息，順序和OctreeCode所 記錄的節(jié)點順序一致，這樣就能把HLOD信息放入到相應得節(jié)點中，從而保證整個HLOD文件 的正確讀取。
2.場景HLOD的預計算
2.1場景的Octree剖分
由于場景中的模型是按照一定的位置進行擺放的，按照場景中模型的空間變換信息，對以 HLOD文件格式載入的單模型包圍盒信息作相應的'變換，包括旋轉(zhuǎn)、平移和縮放。遍歷所有的 單模型包圍盒數(shù)組，得到它們中心的平均值作為場景包圍盒的中心we朋Ce對e。以所有模型包 圍盒軸向邊界距離sce"eCeW^最大距離作為場景包圍盒的尺寸^e"eS&e。得到了場景的包圍盒 之后，使用與單模型剖分類似的方法對場景進行Octree剖分。本發(fā)明規(guī)定剖分停止的條件為單 位包圍盒中所包含模型的數(shù)目小于2，并且不用考慮邊界。.剖.分完畢之后，就可以得到一棵場景
Octree 。
2.2建立場景HLOD
場景HLOD的建立與單模型HLOD的建立類似，需要注意以下兩點-(l)從葉子節(jié)點自底向上簡化時，簡化單位是葉子節(jié)點所包含的模型，場景葉子節(jié)點的最精 細層HLOD,是它包含的單模型根節(jié)點的最粗層HLOD的幾何信息。 C2)場景節(jié)點建立HLOD時，不用考慮邊界。
3.基于視點渲染HLOD得到單模型和場景的HLOD之后，還必須根據(jù)用戶指定誤差及漫游 視點進行HLOD的選擇和基于視點渲染，基于視點的HLOD渲染如圖5、圖6所示。
根據(jù)公式e^五-^丄tan^選擇HLOD進行渲染，其中P是用戶指定的屏幕像素誤差，d
是場景中HLOD中心距離視點的距離，e是視景體的水平夾角，N是渲染窗口的寬度?；谝?點渲染的算法描述如下，首先將場景根節(jié)點加入隊列wcfe2"et^
Stepl.從"o&gwewe取出節(jié)點wwfe，遍歷的3個HLOD，比較簡化誤差e與￡，若符 合公式(l)，則把節(jié)點指針和滿足條件的HLOD指針作為一個2元組加入到渲染隊列
Step2.遍歷完畢朋&的HLOD之后，若沒有符合公式(l)的，則將的非空子節(jié)點加入 nodeQueue
Step3.重復Stepl-Step2,直到為空
Step4.遍歷渲染隊列進行渲染。
權(quán)利要求
1、面向大規(guī)模靜態(tài)場景實時渲染的HLOD預處理方法，其特征在于首先進行單模型HLOD的預計算；然后對預計算結(jié)果進行存儲，根據(jù)場景載入所需要的單模型HLOD信息，進行場景HLOD的預計算；最后根據(jù)用戶指定的誤差基于視點對HLOD進行選擇和渲染。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向大規(guī)模靜態(tài)場景實時渲染的HLOD預處理方法，其特征在 于所述的單模型HLOD的預計算的方法如下首先計算單模型的中心和尺寸，根據(jù)指定的剖 分粒度W進行Octree剖分，剖分停止條件是當前包圍盒中的頂點數(shù)在剖分過程中，父節(jié) 點保存剖分邊界面；然后自底向上建立HLOD結(jié)構(gòu)，并根據(jù)設計的HLOD文件格式進行輸出存 儲，加強復用性。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向大規(guī)模靜態(tài)場景實時渲染的HLOD預處理方法，其特征在于 所述的場景HLOD的預計算的方法為根據(jù)場景所需模型，逐個載入建立好的單模型HLOD, 對單模型的包圍盒進行融合，得到場景包圍盒，并進行場景的Octree剖分，剖分的停止條件為 當前包圍的單模型數(shù)目mS2，從而得到場景模型結(jié)構(gòu)；然后自底向上建立場景HLOD。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向大規(guī)模靜態(tài)場景實時渲染的HLOD預處理方法，其特征在于 所述的根據(jù)用戶指定的誤差基于視點對HLOD進行選擇和渲染方法為根據(jù)用戶指定的屏幕像 素誤差N，轉(zhuǎn)化為空間距離誤差E，從場景根節(jié)點遍歷場景Octree和單模型Octree，當HLOD的 簡化誤差eSE時，選擇此HLOD進行渲染。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的面向大規(guī)模靜態(tài)場景實時渲染的HLOD預處理方法，其特征在于 所述的設計的HLOD文件格式結(jié)構(gòu)為文件頭、Octree結(jié)構(gòu)信息和節(jié)點數(shù)據(jù)信息三個部分，其 中文件頭描述三維模型的全局信息，包括模型包圍盒中心、包圍盒尺寸、頂點數(shù)目、面片數(shù) 目和材質(zhì)數(shù)據(jù)；結(jié)構(gòu)信息部存儲了 Octree結(jié)構(gòu)，包括Octree編碼信息和節(jié)點描述信息，用來 在讀取時恢復Octree結(jié)構(gòu)；節(jié)點數(shù)據(jù)信息是每個Octree節(jié)點包含的數(shù)據(jù)信息，包括邊界面片數(shù) 據(jù)、HLOD數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明是面向大規(guī)模靜態(tài)場景實時渲染的HLOD預處理方法。該方法首先進行單模型HLOD(Hierarchical Levels of Detail)的預計算；然后對預計算結(jié)果進行存儲，根據(jù)場景載入所需要的單模型HLOD信息，進行場景HLOD的預計算；最后根據(jù)用戶指定的誤差基于視點對HLOD進行選擇和渲染。本發(fā)明的特點是對模型和場景都可以靈活地進行不同層次和粒度的剖分，從而可以在渲染時保持較好的細節(jié)和較少的計算量，適用于大規(guī)模靜態(tài)場景的模型數(shù)據(jù)的預處理。并針對預計算需要較長時間的問題，設計了一種HLOD文件格式，從而增加了其復用性。
文檔編號G06T15/20GK101169871SQ20071017864
公開日2008年4月30日 申請日期2007年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月3日
發(fā)明者沈旭昆, 碩 高, 越 齊 申請人:北京航空航天大學