基于Z_buffer值的碰撞检测算法研究

碰撞检测算法是增强虚拟环境的逼真感和沉浸感的一个重要手段。原有的碰撞检测算法计算复杂，在复杂大范围三维场景绘制时会占用系统大量计算资源。针对传统碰撞检测算法的缺点，提出了一种基于缓冲区Z_buffer值的快速碰撞检测算法。该算法充分利用场景绘制时的变换矩阵和深度信息，实现了用户以第一人称在虚拟场景中漫游时进行快速碰撞检测与响应。实验证明该算法计算简单、速度快且与场景复杂度无关。     

面向移动计算终端的渐进几何简化方法

在移动计算终端上进行移动三维图形计算是一个重要的课题.针对移动计算终端屏幕小、计算能力低、无线网络带宽受限等特点,研究如何进行移动三维图形的渐进显示具有十分重要的意义.提出了利用Kobbelt四边形细分算法的逆过程迭代地进行简化的方法,通过迭代地把模型分割为奇点和作为简化模型的偶点,实现了对四边形网格几何模型的渐进式简化;提出了渐进显示的模式,通过把每一层的奇点作为可添加的细节信息,可以支持在终端上渐进显示不同细节模型并实现原模型的无损还原.完整的简化方法简单快速,可以高效地实现移动三维图形的渐进简化显示.最后在型号为Mio 336的PDA上的实验结果表明,研究成果在移动计算终端上进行实时交互等方面具有很好的应用前景.     

基于移动终端屏幕分辨精度的网格简化算法

针对移动终端用户对三维物体的感知度与屏幕分辨率明显相关的特性,提出一种基于移动终端屏幕分辨精度的网格简化算法。算法定义了模型在目标屏幕上显示时的基准显示状态(BoV),并通过移动终端分辨率及物体的视距参数分别计算得到目标屏幕的分辨精度阈值及模型的分辨精度因子,通过加权二次误差度量(QEM)算法动态地删除不符合显示精度要求的冗余数据。算法易于实现,适用于手机、PDA等仅具备低分辨率屏幕的移动终端上的图形应用。实验结果说明新算法的有效性。     

一种适合VRML应用的三角网格简化算法

交互虚拟环境中，VRML作为三维场景描述语言得到广泛应用，场景中的物体常常用三角形网格模型来描述，本文提出了一种适合VRML应用的网格简化算法，该算法不仅可以快速减少模型中的画片数目而且能保持模型良好的视觉效果，算法中给出了一种有效的误差控制方法，能在用户指定的误差范围内通过使原始网格中的边折叠达到大量简化的目的，该算法实现简单且速度快，另外能够有效地支持细节层次模型的表示，最后给出实例证明了该算法的有效性。     

基于Z-buffer算法优化的大型变电站场景模型快速线消隐方法

针对现有三维模型消隐方法面向大规模三维场景模型应用中存在的计算复杂、耗时长等缺陷, 本文提出了基于改进 Z-buffer 算法对大型变电站场景消隐的快速可视化方法。首先,为了简化计算,将场景模 型数据整合并重构;其次,通过透视投影变换将变电场景模型像素化;进一步,基于 Z-buffer 算法高效的像素 化计算特性提出了快速模型筛选方法,从而得到变电场景的子模型遮挡关系。最后,实验中将所得遮挡关系列 表融合现有消隐算法,结果表明本文提出的方法能够大幅度提升消隐的运算性能。     

适用于移动设备的实时碰撞检测算法

针对移动设备性能低、屏幕小等缺陷,提出一种快速有效的碰撞检测和响应算法。该算法使用多层次碰撞检测和动态多分辨率网格划分的方法来减少碰撞检测的计算次数,提高了算法性能。在碰撞响应中,为了精确计算碰撞的交点以符合物体运动的物理规律,采用时间间隔二分查找算法来保证碰撞的计算精度和系统效率。为某公司设计的移动台球游戏的运行结果表明该算法具有较高的性能和良好的实时交互性,满足用户的需求。     

林木场景漫游系统的研究与实现

由于林木本身结构复杂,因此在模拟中几何模型的面片数多。如何在保证一定的视觉真实感的前提下,尽量简化场景模型,实现林木场景的快速绘制,一直是计算机图形学领域的热点问题。提出了一种适合包含大面积林木的自然场景漫游系统的实现方法,即利用3维建模软件3ds max构建场景模型,然后基于虚拟开发工具Open Scene Graph（OSG）实现场景的实时绘制和漫游。充分利用软件的特点和功能,实现了包含大面积林木的自然场景的漫游,同时还根据相交测试原理实现了漫游过程中的碰撞检测。实验结果表明,此系统具有较高的绘制速度,能满足包含大面积林木的自然场景实时漫游的要求,同时能达到一定的场景真实感。     

导弹投射区可视化中的数据模型设计

导弹投影区域可视化是实现投射模拟训练及匹配基准图制备的关键环节.为实现导弹投射区域的可视化,通过对现实世界进行抽象与简化,设计了导弹投射区三维场景数据模型.该模型将三维场景划分为地形、目标、显著地物群三层,每一层采用或设计了相应的数据结构;在介绍相应数据的准备方法并准备好相应数据的基础上,实现了分层场景的绘制.系统应用表明该导弹投射区三维数据模型,规范了作战保障信息,使场景绘制工作更为灵活和有效.     

动态场景下视点相关简单块状分层方法

针对虚拟现实动态场景下规则模型组细节层次渲染速度优化问题,提出一种基于块状分层建模思想的视点相关细节层次表示方法。该方法以简单的方式实现规则模型组动态LOD表示和场景模型文件的合理缩减。首先通过块状分层有效组织管理三维场景,使总体动态场景文件有所减少,然后利用所提动态权系数算法,计算各块状分层动态显示系数,最终以简单、快速的方式构建三维场景动态变化下场景模型,实现各结构块不同细节层次显示的虚拟动画。实验结果显示,该方法能够减小程序文件6.8%~10.6%,证明块状分层易于实现和方法的有效性。     

高精度高速度曲面建模的3维地表模拟和漫游算法

三维真实感地形场景是生态系统模拟、虚拟地理环境和三维GIS不可或缺的要素,而高精度高速度曲面建模方法可以动态实时构建高精度曲面模型。论文引入高精度高速度曲面建模方法,提出了一种可以动态生成地表模型并实时绘制和漫游三维真实感地表的方法。该方法实时动态建立高精度DEM,结合改进的视点依赖多分辨率绘制方法,随视点改变动态重建并绘制当前DEM。首先建立当前可见场景的DEM,然后通过依赖于视点的简化等处理建立层次细节模型,进行实时场景绘制和漫游,随视点改变,在当前场景基础上动态加点和减点更新DEM及层次细节模型,生成当前可见场景,以次循环。实例测试表明,算法可产生真实感较强的场景,实时漫游效率较高,模拟精确。     

Fast generation method of 3D scene in Chinese landscape painting

The three-dimensional (3D) modeling of Chinese landscape painting is of great significance for the digital protection of cultural heritage and the production of virtual reality content. A fast modeling method to create 3D landscape scenes for traditional Chinese painting is proposed in this paper, based on integrated terrain modeling and the water flow rendering algorithm. A height map generation algorithm based on auxiliary lines is first proposed to carry out fast modeling from a simple two-dimensional contour to create a 3D mountain model. A realistic flow simulation that fits the topography is then undertaken, based on a flow chart which is calculated using the particle force in the normal grid of topography, and the theory of smoothing particle hydrodynamics. Finally, a stylistic scene that conforms to the artistic concept of traditional Chinese painting is acquired by optimizing the parameters. The interactive modeling platform of the integrated algorithm is tested in this study, and compared with existing research. Results show the method can achieve real-time rendering and realistic rendering to rapidly generate a 3D scene model consistent with a traditional painting scene, and provide support for the follow up development of virtual reality applications.

     

图形图像融合的海量建筑绘制

目的 城市3维模型数据海量且结构复杂,缺乏一个高效完善的可视化系统往往是影响数字城市应用的瓶颈之一。通常利用多层次细节（LOD）与调度算法减少每一帧绘制的数据量来提高绘制效率,当场景规模足够大时,即使采用复杂的优化算法也难以取得较好的效果。为此,本文在传统算法基础上,提出一种图形图像融合的海量建筑物场景绘制方法。方法 提出并采用视域分级绘制策略,将视椎体平行分割为感兴趣区域、次感兴趣区域和非感兴趣区域,感兴趣区域采用图形实时绘制方法,使用离屏渲染技术将次感兴趣和非感兴趣区域绘制在纹理图像中,每一帧绘制完成后将二者进行顾及深度信息的融合,实现完整场景渲染。结果 使用公开的纽约市区CityGML文件作为实验数据,数据包含了118 195个LOD1和LOD2级别的建筑物模型。分别构建多组不同建筑数量的场景进行帧率统计实验,绘制帧率都达到20帧/s以上。算法实现了视觉无损失的场景完整渲染,并与Cesium平台进行对比实验,证明算法有效且系统运行流畅。结论 图形图像融合的绘制方法,既保持了图形渲染的漫游连续性,同时也具有图像渲染的场景复杂度无关的优点。实验结果表明,针对大规模的低分辨率建筑模型场景,算法可以有效提高系统的渲染能力,在性能相对较低的硬件条件下也能实现海量建筑物实体模型的流畅漫游,并达到视觉无损失的场景完整绘制。     

基于点采样的大规模三维模型显示

大规模三维模型的实时显示一直是许多虚拟现实应用追求的目标之一,也是计算机图形学领域的研究热点之一。文中采用基于采样点的显示方法,把具有显示质量优势的传统三角形与显示速度快、简化表示能力强的采样点,通过八叉树有机组织起来;通过对基本算法做出有效的改进,并添加计算分解和重用、有效的数据管理等模块,以高效的实现方式完成了30,000个独立运动的虚拟人场景的实时显示。文中的方法也可处理其它场景,能直接应用于紧急疏散或影视、游戏等领域中大规模三维模型的显示,具有很好的应用前景。     

基于对象对应关系的LOD模型连续过渡

细节层次模型是指对同一场景或场景中的物体,使用具有不同细节的描述方法得到一组模型,供绘制时选择使用。它可用在复杂3D场景快速绘制、飞行模拟器、3D动画、交互式可视化和虚拟现实等应用系统中。本文对多细节层次模型间的连续过渡技术进行了研究,提出一种基于建立对象对应关系的多细节层次模型间连续过渡的方法。该方法具有实现简单、速度快和过渡平滑的特点,并且适用于任意三角网格模型。     

基于3D WARP的混合绘制算法研究

几何绘制（GBR）是传统计算机图形学的研究内容,随着计算机图形学的发展,图象绘制（IBR）成为研究热点,两者各有其优缺点,其中,GBR具有绘制自由度大,速度慢等特点,需占用大量系统资源,而IBR则正好相反,因此,寻找一种能够结合GBR与IBR优点,而又能克服其缺点的方法是必要的,为了使几何绘制和图象绘制能够实现有机地结合,提出了一 种全新的“基于几何与图象的混合绘制（Geometry and Image-Based Hybrid Rendering,GIBHR)”方法,并分析了GIBHR的研究内容,同时给出了GIBHR的绘制流程,在此基础上,将IBR领域的3DWARP 法在几何绘制领域进行了进一步拓展与推论,证明了其可行性和有效性,提出了一种基于3DWARP的混合绘制算法,最后对算法进行了实验,结果表明,该算法在提高几何绘制速度方面具有明显优势,且具有空间反走样能力。     

基于模型移植的高效数据引擎构造方法

在研究MAYA、空间数据结构以及OpenGL的基础上,用分离提取的方法把MAYA制作的三维模型移植为一种规范、优化、有空间数据结构的M3D数据模型。在只有视点移动的大型三维虚拟场景开发中应用这种数据模型,既有助于在OpenGL建立的虚拟环境中快速构建大量、复杂、逼真的三维模型,又有助于实现实时渲染精细场景的目标。     

Flexible point-based rendering on mobile devices

We have seen the growing deployment of ubiquitous computing devices and the proliferation of complex virtual environments. As demand for detailed and high-quality geometric models increases, typical scene size (often including scanned 3D objects) easily reaches millions of geometric primitives. Traditionally, vertices and polygons (faces) represent 3D objects. These representations, coupled with the traditional rendering pipeline, don't adequately support display of complex scenes on different types of platforms with heterogeneous rendering capabilities. To accommodate these constraints, we use a packed hierarchical point-based representation for rendering. Point-based rendering offers a simple-to-use level-of-detail mechanism in which we can adapt the number of points rendered to the underlying object's screen size. Our work strives for flexible rendering - that is, rendering only the interior hierarchy nodes as representatives of the subtree. In particular, we avoid traversal of the entire hierarchy and reconstruction of model attributes (such as normals and color information) for interior nodes because both operations can be prohibitively expensive. Flexible rendering also lets us traverse the hierarchy in a specific order, resulting in a fast, one-pass shadow-mapping algorithm.     

Autostereoscopic Rendering of Multiple Light Fields

Light fields were introduced a decade ago as a new high‐dimensional graphics rendering model. However, they have not been thoroughly used because their applications are very specific and their storage requirements are too high. Recently, spatial imaging devices have been related to light fields. These devices allow several users to see three‐dimensional (3D) images without using glasses or other intrusive elements. This paper presents a light‐field model that can be rendered in an autostereoscopic spatial device. The model is viewpoint‐independent and supports continuous multiresolution, foveal rendering, and integrating multiple light fields and geometric models in the same scene. We also show that it is possible to examine interactively a scene composed of several light fields and geometric models. Visibility is taken care of by the algorithm. Our goal is to apply our models to 3D TV and spatial imaging.     

Asymmetric and selective object rendering for optimized Cloud Mobile 3D Display Gaming user experience

Cloud Mobile 3D Display Gaming has been recently proposed where 3D video rendering and encoding are performed on cloud servers, with the resulting 3D video streamed wirelessly to mobile devices with 3D displays. This approach has the advantage of relieving high computation, power and storage requirements of 3D display gaming from mobile devices, while enabling game developers to focus on a single rich version of the game which can be experienced from any mobile device and platform. However, it is challenging to stream 3D video over dynamically fluctuating and often constrained mobile networks. In this paper, we propose a novel technique called Asymmetric and Selective Object Rendering (ASOR) which proves to be more powerful than previous solutions for Cloud based Mobile 3D display gaming. Specifically, this technique will enable rendering engine to intelligently decide whether or not to render an individual object and how good the corresponding texture detail will be if rendered, and the settings can be asymmetric for two views. Thus, unimportant objects can trade quality for reduced bitrate while important objects can remain high quality so that the overall user experience is optimized given certain bandwidth constraints. To quantitatively measure the user experience and bitrate by applying different rendering settings, we develop a user experience model and a bitrate model. We further propose an optimization algorithm which uses the above two models to automatically decide the optimal rendering settings for left view and right view to ensure the best user experience given the network conditions. Experiments conducted using real 4G-LTE network profiles on commercial cloud service with different genres of games demonstrate significant improvement in user experience when the proposed optimization algorithm is applied.     

保留细节特征的轮廓线远程绘制算法

目前,智能掌上电脑、个人数字助理和智能手机等移动终端因为其便携性和可移动性,越来越多地被应用于分布式虚拟环境中,但是因为移动终端自身的局限性,在移动终端上的3维模型实时绘制问题仍未得到很好的解决。结合多分辨率网格模型和基于轮廓线的远程绘制的优点,提出了一种保留细节特征的轮廓线远程绘制算法。该算法预处理阶段,在原始精细网格模型上提取细节特征线,并进行多分辨率网格模型的预处理;运行时阶段,根据视点、帧率等交互信息使用选取策略对细节特征线进行选取,然后构建合适的多分辨率网格模型,并在该模型上提取出外围轮廓线,最后发送这两种轮廓线到移动终端进行绘制。实验结果表明,该算法在基于轮廓线的远程绘制中较好地保留了模型的细节特征,并保证了在移动终端的实时绘制。