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复杂虚拟环境的实时多分辨率建模

Veysi Isler Rynson W.H. Lau Mark Green

计算机图形学及媒体实验室 计算机科学系

计算机系 阿尔伯塔大学

香港理工大学，香港 阿尔伯塔，加拿大

摘要
复杂场景的渲染和动画包含—许多以大量显示为对象的对象原语需要时间成比例的总数场景中的原语。提高性能一个给定的图形引擎，多分辨率建模技术通常用来减少总的数量需呈现的原语。然而，现有的技术通常是缓慢的，其中一些可能不即使保存对象几何信仰的拓扑结构—充分。在本文中，我们提出了一个E 高效和简单生成目标的目标模型的算法—解决了一个对象的高分辨率模型从视图点的对象的距离。马—新方法的主要优势是保留该拓扑结构的模型，它可以用来生成—多分辨率模型在实时，其性能是可以预测的。最后的优势能够很好的 T为框架，提出了在我们在虚拟现实中实时渲染的工作[ 1 ]。

1.景区简介
现实看图像的实时生成埃森—TiAl基合金的交互式计算机图形应用实时计算机图形动画。虚拟现实演练，飞行仿真、科学可视化 C—这是一些需要真实的应用程序的示例应用程序—时间渲染。虽然图形工作站可能能够生成图像的实时一些标准特定的场景，由于场景变得越来越复杂，其渲染和动画系统的性能大大降低，最终，它将无法提供以高的速率。我们目前的研究方向—反应[ 1 ]是开发的渲染技术，能在一个最有可能的质量传递图像给定的时间间隔，使帧速率可以保持。能够在给定的范围内生成图像时间间隔，我们需要能够预测的时间需要处理和呈现的对象中的每一个场景。能够生成图像的最高可能的质量在给定的时间间隔内，我们可以考虑使场景中的对象自适应地渲染使物体具有更高的视觉重要性—想用更多的细节，而较低的视觉重要性被渲染的更少的细节。本文集中于二期。

简单地表示在场景中的所有对象较少原语当然会减少对人的时间—图像的。然而，这将导致不准确的转播—对象模型和可能导致产生的图像误导性信息。一种常用的技术自适应渲染物体被称为多分辨率模型—鹅岭或细节建模水平。由于这样的事实远处的物体（远离的物体查看点）将占据较小的像素区域比附近对象，它们被认为是视觉上不那么重要比附近的物体。由于这些对象的细节反正是不可见的，远处的物体可以简化 ED缺乏 融资所得图像的精度。这可以通过Prim数达到—表示一个对象成反比itives从视点的对象的距离。

由于大多数现有的方法产生多—分辨率模型是慢[ 2，4，3 ]，这些模型是通常产生的提前。每个对象表示由几个二不同决议的关键模型和在一个特定的角度距离的物体—外框架确定用于渲染的模型框架。这些方法的一个限制是，它们需要额外的存储空间来存储多个模型每个对象。如果一个场景数据库包含了大量—对象的误码率，需要大量的内存来存储他们。在交互式计算机图形应用程序中如虚拟现实漫游，所有的对象模型附近必须保持在主内存中。量主要的内存可用因此限制了复杂—性的场景。另一个限制使用 固定预先生成的模型来表示对象的数目就是当物体穿过阈值距离时，有一个突然变化的模型用来表示对象。这可能会造成一种视觉反感的E 等。因此，一种技术，它可以生成多分辨率用于实时应用的模型可以减轻预生成模型的需要因此解决上述问题。

在本文中，我们提出了一种新的技术产生—目前的多分辨率模型的场景中物体上这个和在实时。该算法简单实施和要求没有复杂的数据结构。论文的其余部分组织如下。部分2描述了以前的工作多分辨率建模。第3节详细介绍我们的方法。4节显示并讨论了一些样本模型的时序结果。第5节讨论我们如何可以修改的技术，所以的多分辨率模型可以更新增量—精神。这种增量的方法将进一步提高—证明我们的多分辨率技术的性能。最后，第6节提出的文件和结论讨论了一些可能的未来工作。

2.建模前的工作
多分辨率建模相关的前人研究已从不同学科的科学家进行二—门类包括计算几何、应用数学—数学、计算机图形学、军事仿真、锗—地理信息系统（GIS）。他们中的大多数人尝试简化一个给定的模型，通过保持拓扑结构几何模型。提出的方法根据不同他们简化了模型的类型。国防部的类型—ELS包括多面体模型，高度 领域，和曲表面。飞行模拟器和地理信息系统接受的高度领域，也被称为不规则三角网（锡），作为输入。一个高度 坡是一个典型的方法—高程数据，任大三角网格—迪林。多面体模型包括一组多边形描述场景中的三维物体。虚拟环境和科学 C可视化应用程序使用这种作为输入的数据。

现有的方法来生成多分辨率模型可分为 重新 一般方法和抽取方法[ 5 ]。再 一般方法提高精度最初的一个模型的最小逼近建造[ 6，7，8，9 ]。他们也被称为“全球重建—应用启发式算法。土耳其[ 8 ]处理问题作为一个网格优化。他 RST分配点数在物体表面的曲率，然后将顶点来获得更高的分辨率在具体 ED的顶点数量模型。虽然该算法的工作原理以及用于弯曲的表面，它是缓慢的可能无法保存的拓扑结构的表面高曲率。Hoppe等人。[ 9 ]优化能源函数在曲面上迭代最小化—
从原来的拟合曲面的距离，以及由此产生的近似的顶点个数—信息。这可能更好地保护拓扑结构，但它太慢了—实时计算。

抽取的方法，另一方面，删除顶点从一个模型的精确描述 减少交流—牧师，但简单版本的初始模型[ 10，11 ]。这些方法也被称为局部简化 阳离子heuris—
因为他们修改模型局部抽搐。施罗德等Al。[ 10 ]试图从几乎科普拉删除顶点和边—NAR相邻面。由此产生的孔 填充了局部三角法。虽然他们的方法是比重新 在更快的一般描述的方法以上，对工艺的要求，确定模型多通可以计算昂贵和因此，二_x000E_邪教使用多实时生成—分辨率模型。此外，由于该方法不考虑特征边，多分辨率模型所产生的可能不保留原有的拓扑结构对象几何。Rossignac等。[ 11 ]集群版本—，这是彼此接近，产生一个新的表示它们的顶点。多边形对象然后更新。虽然这种方法是均匀的比以前的方法快，因为它不需要三角法的过程中，它又不保存对象几何的原始拓扑。

尽管事实上，这两个类的方法可以根—高分辨率模型的一个给定的对象，有
还有一些严重的问题，在这方面。首先，这些方法，特别是重新 一般方法，非常
耗时非常地崇拜实施。美国证券交易委员会—然后，他们中的一些甚至不保留原始
对象几何拓扑。第三，由于这些方法的计算成本高，一 固定数—误码率的关键模型在二DIS对象不同—指令通常是预先生成的。如前所述在上一节中，这可能会引起反感视觉方面由于水平的突然变化—当对象移动到阈值距离时。土耳其[ 8 ]提出了有一个过渡期这一平滑插值两更迭之间—性的细节层次进行生产模型中间决议，这种方法进一步增加过渡时期的计算时间—造成的需要处理的细节，在同一时间。因此，有必要开发更多E 高分辨技术也保持对象几何的原始拓扑结构。

3.该算法
我们在这项研究中的目标是生成多分辨率模型研究和在实时，同时保留尽可能多的对象模型的拓扑结构。这个该算法分为抽取方法的类。相比于其他的抽取算法—同时，我们将三角形而不是顶点给定的模型。一个三角形的去除通过合并2或三个顶点的三角形。合并任何两个顶点的三角形意味着崩溃边缘—角和三角将成为一个单一的线。合并所有三个顶点意味着折叠三角形本身和三角形将成为一个单一的点。的原因选择三角形以除去是避免三角从一个顶点移除的孔。这样的三角法是不平凡且耗时的由于许多检查要求。

在我们的方法中，我们假设所有的对象在现场是由三角形组成的，通常用于表示三维物体。然而，曲面也可以被处理，通过有一个预处理，将它们转换为三角形网格。我们将模型的所有三角形排序根据自己的视觉重要性提前。VI—一个三角形的视觉重要性依次是德 内德的它的三个顶点的视觉重要性。在任—开发过程中，我们将适当数量的火车—家有最少的视觉重要性的扫描转换前模型。然而，在那里
是大量的对象在现场，它可能是成本太高，删除一个潜在的大量的重新—从一些冗余的三角形模型创建低分辨率的模型，因为每个三角形去除—我们需要时间。在这里，我们建议混合期权。对于场景中的每一个复杂物体，2个或三个键—对象的PLI ED模型生成提前在其他非实时方法。当生成一个图像，最接近的关键模型，但更高需要的三角形数目将被选择。我们然后从选定的模型中删除三角形模型中的三角形的总数就足够了表示对象在其当前的距离。虽然这种混合的选择增加了我们的方法的内存使用，它可以进一步提高我们的表现方法通过减少需要的三角形的数目在运行时删除。

为了去 NE的一个三角形的重要性，我们 RST把顶点分为三类在顶点，边顶点和特征点。一顶点位于表面光滑，可除去需要。一个边缘点的 NES的边缘对象，只有在某些条件下才能被删除满足 版特征顶点的 NES的整体形状对象，因此应该是最后一个被删除。确定三角形的视觉重要性—根据它的三个顶点的分类 阳离子。依据—一般，一个三角形有一个低的视觉重要性如果不是重要的 宁对象的几何拓扑—法和其去除不会导致很高的错误的简化模型和原始模型之间。由于三角形的删除引起的错误的分析计算是相当昂贵的，并且是重新—所需的所有可能的情况下，我们试图近似通过采用一些启发式的错误，在这部分。该算法提供了2个主要的操作对于一个三角形的去除：崩刃及训练—GLE崩溃。在边折叠，2个顶点的选择三角形被合并成一个导致一个移除或三角形。边折叠使算法保存模型的功能如图所示
1。三角形结果中所有三个顶点的合并三角形折叠，可从2到四的三个—角。另一方面，三角形折叠的三角形，具有类似的方向他们的邻居如图2所示。

在这一点上，它可能是有用的比较我们的方法与其他抽样方法。所提出的方法施罗德等人。[ 10 ]是基于顶点去除。这个孔是从一个顶点移除修补使用一个相当复杂的三角方法，必须创建非交叉和非退化三角形。在某些情况下，当选择时，三角网可能会失败顶点和周围的三角形没有被删除三角网格。某些特殊情况下发生的，在—荷兰三角剖分过程进行结合—在算法中的许多检查。简单 阳离子基于顶点删除的算法必须包括三角法，这是相当昂贵的和很难实现。它还需要使用复杂的数据结构。我们的方法的一个有趣的属性是在崩溃之后，所有的相邻的三角形这是连接到原来的2（边折叠）或三（三角形折叠）的顶点保持三角形。因此没有必要的三角测量过程。两Hoppe等人。[ 9 ]和斯卡拉托斯和Pavlidis [ 12 ]也利用一个边缘塌陷、移位简化一个给定的三角形网格的顶点。我们的方法是地不同于他们在以下几个方面。霍普等人。把问题视为一个最优化问题准确地解决了这一问题。最大二面角的棱在目标点自动对焦—在崩溃的边缘，检查是否崩溃应该被拒绝。条件和在我们的算法中的边缘崩溃的评价基于顶点类型和误差测度我们 NE在本文后面。斯卡拉托斯和Pavlidis，另一方面，假设三角网—近似值的表面高度 ELD代表定期。
他们提出的算法不适用于一般的三—角网格。使用错误的措施是不同的从地比我们的更贵。此外，他们的模拟—PLI 阳离子的方法是基于曲率的均衡—等曲率措施包括在平均电流—曲率和高斯曲率[ 12 ]，可昂贵的计算。在下面的小节中，我们提出了一个更详细的描述，我们的方法。

3.1 顶点的视觉重要性
类似于一个三角形，一个顶点有一个较低的视觉重要性如果在 宁几何对象的拓扑结构，因此是不重要的，去除不引起 简化模型和原始模型之间的误差大。在简化 阳离子算法，二erences 围绕一个顶点的三角形的法向量之间给这个主线。如果正常的矢量都是相似的，顶点在 宁的模型，拓扑结构，因此不重要，可能没有上升到高误删除。这样的顶点被称为顶点，所有的事件三角形都有类似的方向。这是可视化的二维图3。因为在大多数两线段可以在二维空间中一个顶点的事件，一个atvertex将有类似的斜坡两线段。当边坡有明显地不同 ，顶点可能不再是一个顶点。在三维空间中，一个顶点的重要性计算最大角度的三角形事件任何两法线之间的顶点。由于该计算将提前，且修正的简化 阳离子的过程中所有的顶点，它应足以
计算。这最大的角度可以通过比较所有的法线与对方计算机，这是一个昂贵的操作。比较任何两个三维向量需要三个浮点乘法和两个浮点加法。对于E 效率的缘故，我们已经接近这 找到最大值和最小值（XMIN；Xmax；Ymin；YMAX；零点；ZMAX）围绕一个顶点的所有三角形的法线。二差异的最大值和最小值之间的绝对值是用于确定顶点的重要性：

如果VIMP几乎为零，或不超过某一阈值，顶点是顶点。否则，顶点可分为边缘 ED顶点或特征点。边的边出现对象的特征边，而特征点出现在多个特征边的交点处，如图4所示。因为一个顶点位于如此重要的位置，它是一个重要的 宁的几何模型的拓扑结构。因此，除非没有其他的顶点可供选择，否则不得删除。虽然边缘点有助于德 东北边缘的拓扑特征，认为它是那么重要的特征点。这个顶点可以删除，如果它的删除没有一个等拓扑结构的物体或没有其他在顶点选择。

顶点是一个边的顶点，如果是正常的向量三角形连接，它可分为完全关于他们的方向的2组。每个组内的正常向量的方向应该不迪二超过某一阈值。这个法向量可以相互利用绝对二差异最大的比较上述坐标的最小值。因此，该一个边的顶点的重要性：

它的价值x1min，x1max，y1min，y1max，z1minand z1max是最小值和最大值在三角形的 第一组法线向量坐标

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