保持细节的网格曲面局部变形算法

针对直接控制自由变形算法(DFFD)在对大规模网格模型实施局部变形时细节保持性差的问题,以网格曲面上的离散泊松方程和微分算子为理论基础,提出一种完全自动化的网格模型局部变形算法。基本思想是依据用户对模型上控制顶点的移动及网格的表面几何特征,由算法自动判断得到变形区域,继而将用户对控制顶点的编辑操作映射为对变形区域梯度场地操作,最后通过泊松重建得到变形后的网格。优点是在使模型表面的局部几何细节得到保持的基础上省略了人为划定变形区域的步骤。     

微分域网格变形的GPU加速算法

微分域网格变形方法能够较好的保持网格模型的局部细节特征,但其计算需要耗费较长的时间.结合GPU的高速并行运算性能,设计并实现了一种基于GPU的微分域网格变形算法.通过GPU进行网格的微分坐标求解、线性系统系数矩阵的Cholesky分解、线性系统求解等运算,从而将网格局部细节特征编码和解码过程以及变形结果的绘制完全通过GPU完成.实验结果表明该算法能够有效加速微分域网格变形方法的计算和绘制.     

基于三角形折叠的视相关多层次细节模型

在实际应用中，需要细节层次模型来表示场景中物体的不同细节层次，并降低数据量和复杂度；同时也希望以较精细的网格来表示离视点较近的物体，而以较粗糙的网格表示离视点较远的物体，即实现视相关。基于体积误差与三角形折叠操作，研究了渐进网格(VDPM)的简化算法，对模型的几何数据进行简化预处理，实现了与视点相关的多层次细节模型。     

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。     

基于图象空间判据的地表模型加速绘制技术

在利用图形绘制实现虚拟现实的研究工作中，为了加速图形生成以保证实时的图形绘制，物体层次细节模型LoD(level of detail)的选择是其最主要的解决办法.其主要原理是根据物体对于观察者的重要性选择该物体绘制的细节.地表模型作为多边形网格模型的一种特殊几何模型，在各种虚拟现实系统中有着重要而广泛的应用.该文通过对地表模型实时生成特殊性要求的分析，提出具有焦点加权因子的基于图象空间误差的、适用于地表模型特殊性的、有效的加速简化方法.以焦点和显示面积的有效结合作为物体重要性评价尺度，有效地简化了地表模型的绘制.同时，算法结合均匀网格模型的多分辨率细节层次模型，以“块”作为地表模型大面积简化的空间单位，加速地表模型的简化操作，以实现较为复杂的地表模型的实时绘制.     

基于细分的网格模型骨架驱动变形技术

针对传统骨架驱动变形方法中模型细节特征不能得到有效保持的问题,提出一种基于细分的骨架驱动网格模型变形方法。首先,对网格模型待变形区域基于截交线进行局部骨架提取和控制网格构建,分别建立骨架与控制网格以及控制网格所对应细分曲面与待变形模型区域之间的关联关系;然后,将基本函数作用下的自由变形方法应用于骨架变形,通过骨架变形驱动控制网格变形,将变形前后控制网格所对应细分曲面的变化信息转为网格模型泊松梯度场的改变;最后,根据改变后梯度场重建网格模型。实例表明,该变形方法针对不同网格模型均可以得到较好的编辑效果,且细节信息在变形后都得到了有效保持。与传统骨架驱动变形方法相比,该方法除具备交互操作简单直观的优势外,同时能够更好保持变形模型几何细节特征,更为适合具有丰富几何细节的复杂模型的变形编辑。     

保持几何特征的均值骨架子空间网格变形

骨架子空间网格变形算法(SSD)在许多3D应用程序中被广泛使用,但其预操作烦琐不适合于普通用户,且变形的结果常常会出现拉伸或收缩等不自然现象.提出一种改进的骨架子空间网格变形算法,将SSD与微分域坐标和均值骨架坐标相结合,达到局部几何特征及骨架特征的保持.由于改进的骨架子空间变形算法最终归结为一个线性的能量最小问题,从而达到了操作的实时性.通过实例证明,该算法不但能够实时地生成视觉真实的变形结果,而且应用广泛,适合于普通用户.     

点模型的多分辨率形状编辑

提出了一种基于几何细节映射的点模型的形状编辑方法.几何细节是曲面的一个重要属性,定义几何细节为原始曲面及其基曲面之间的向量差,该基曲面由多层次B样条所构成.通过基曲面上的局部仿射坐标,则可以得到与之对应的多分辨率几何细节表示,曲面的低频信息和高频信息易被用户所指定的频段分离.通过调节基曲面的形状,再将这些几何细节映射上去,可以对模型进行保细节的变形;如果将几何细节映射到其他物体上,将可以得到几何细节迁移的结果.为点模型开发了多种特征保持的编辑算子,实验结果表明,所提出的方法是一种有效的点模型造型算法.     

基于割角的保特征网格简化算法

目前存在的网格简化算法大多数在低分辨率下会丢失物体的细节特征．为了改善这点，以割角的方式，以局部体积为简化代价，提出了一种基于半边折叠的新的网格简化算法．与以往算法相比，不仅运行速度快，存储量小，而且非常好地保留了网格的细节特征．除了用于简化网格，也可以对模型构建LOD模型．     

保细节的网格刚性变形算法

提出了一种新的保细节的变形算法,可以使网格模型进行尽量刚性的变形,以减少变形中几何细节的扭曲.首先根据网格曲面局部细节的丰富程度,对原始网格进行聚类生成其简化网格;然后对简化网格进行变形,根据其相邻面片变形的相似性,对简化网格作进一步的合并,生成新的变形结果,将该变形传递给原始网格作为初始变形结果.由于对属于同一个类的网格顶点进行相同的刚性变形,可在变形中较好地保持该区域的表面细节,但分属不同类的顶点之间会出现变形的不连续.为此,通过迭代优化一个二次能量函数,对每个网格顶点的变形进行调整来得到最终变形结果.实验结果显示,该算法简单高效,结果令人满意.     

Large steps in GPU-based deformable bodies simulation

The interactive deformation and visualization of volumetric objects is still a challenging problem for many application areas. We present a novel integrated system which implements physically-based deformation and volume visualization of tetrahedral meshes on modern graphics hardware by exploiting the last features of vertex and fragment shaders.We achieve fast and stable deformation of tetrahedral meshes by means of a GPU-based implicit solver and present a hardware-based single-pass raycaster for deformed tetrahedral meshes. Thus, direct visualization of the inner structures of the deformed mesh is possible, while keeping the data on the graphics hardware throughout the entire simulation.     

触觉可视化技术中柔性物体变形模型研究

触觉可视化技术的出现开辟了虚拟现实技术新的应用前景,柔性物体变形技术成为其中的研究热点。论文对触觉可视化技术中柔性物体变形技术进行深入研究,系统地讨论了基于几何的力变形模型与基于物理意义力变形模型,分析了相关模型的基本思想和优缺点,对这些建模方法的性能进行了细致的比较。结果表明随着硬件技术的不断发展,基于物理意义的有限元模型将会得到越来越多的应用。最后对柔性物体物理形变建模的未来发展趋势做了探讨。     

基于光学映射虚物体的并行绘制

尽管当前基于全局光照模型的图形绘制方法可以渲染出高质量的图象 ,但因为其计算量巨大 ,难以适用于诸如建筑物漫游、虚拟现实等对绘制速度有严格要求的场合 .为此引入光学映射虚物体的概念 ,利用构建在联网PC机上的集群系统 ,并行创建反射和折射虚物体 ,然后利用集群中各节点的图形加速硬件 ,像处理实际三维物体一样绘制这些虚物体 ,可以快速地绘制出反射 /折射效果的图象 .实验结果证明 ,该方法利用 CU P的计算能力和图形硬件的加速特性实现了真实感图形的高性能绘制 ,特别适用于诸如建筑物漫游、计算机动画和虚拟现实等要求交互式绘制的场合     

Reflection and Refraction on Implicit Surfaces

Implicit surfaces are often used in computer graphics. They can be easily modeled and rendered, and many objects are composed of them in our daily life. In this paper, based on the concept of virtual objects, a novel method of real-time rendering is presented for reflection and refraction on implicit surface. The method is used to construct virtual objects from real objects quickly, and then render the virtual objects as if they were real objects except for one more step of merging their images with the real objects＇ images. Characteristics of implicit surfaces are used to compute virtual objects effectively and quickly. GPUs （Graphics Processing Units） are used to compute virtual vertices quickly and further accelerate the computing and rendering processes. As a result, realistic effects of reflections and refractions on implicit surfaces are rendered in real time.     

Real-time geometric deformation displacement maps using programmable hardware

Striving for photorealism, texture mapping, and its more advanced variations, bump and displacement mapping, have all become fundamental tools in computer graphics. Recently, the introduction of programmable graphics hardware has enabled the employment of displacement mapping in real-time applications. While displacement mapping facilitates the actual modification of the underlying geometry, it is constrained by being an injective mapping. Further, it is also limited because it usually maps the geometry of the (low-resolution) smooth base surfaces, typically by displacing their vertices. Drawing from recent work on deformation displacement mapping (DDM) [4], in this paper we offer real-time solutions to both these limitations. Our solutions make it possible to employ the DDM paradigm on programmable graphics hardware. By reversing the roles of the base surfaces and their geometric details, both the one-to-one constraint and the base surface resolution limitation are resolved. Furthermore, this role reversal also paves the way for other benefits such as a tremendous decrease in the memory consumption of geometric detail information in the DDM and the ability to animate the details over the base surface. We show that the presented scheme can be used effectively to generate highly complex renderings and animations, in real time, on modern graphics hardware. The capabilities of the proposed method are demonstrated for both rational parametric base surfaces and polygonal base surfaces.     

基于多边形顶点法矢量的网格模型简化算法

在计算机图形学中，经常采用网格模型进行几何物体的描述，而网格模型的大数据量成为实时绘制的瓶颈，因此，必须对网格模型进行简化。目前的简化算法，主要是以网格模型几何误差的最小化为准则，而忽略了模型的视觉特征，为此提出了一种基于法矢量的模型简化算法，其简化准则是视觉特征的最优化。首先获取多边形顶点的平均法矢量，然后依据该法矢量确定简化门限。实验结果表明，当地景模型简化至95.4%时，仍然保持了令人满意的图象质量。该算法能够在保证高度真实感视觉效果的前提下，实现模型较大幅度的简化。     

Domino Tiling: A New Method of Real-Time Conforming Mesh Construction for Rendering Changeable Height Fields

In this paper we present a novel GPU-oriented method of creating an inherently continuous triangular mesh for tile-based rendering of regular height fields. The method is based on tiling data-independent semi-regular meshes of non-uniform structure, a technique that is quite different from other mesh tiling approaches. A complete, memory efficient set of mesh patterns is created by an off-line procedure and stored into the graphics adapter's memory at runtime. At rendering time, for each tile, one of the precomputed mesh patterns is selected for rendering. The selected mesh pattern fits the required level of details of the tile and ensures seamless connection with other adjacent mesh patterns, like in a game of dominoes. The scalability potential of the proposed method is demonstrated through quadtree hierarchical grouping of tiles. The efficiency is verified by experimental results on height fields for terrain representation, where the method achieves high frame rates and sustained triangle throughput on high resolution viewports with sub-pixel error tolerance. Frame rate sensitivity to real-time modifications of the height field is measured, and it is shown that the method is very tolerant and consequently well tailored for applications dealing with rapidly changeable phenomena represented by height fields.     

拓扑结构可变的动态多细节层次模型

研究多细节层次技术在虚拟环境中的广泛应用.提出了一种新的动态多细节层次结 构,这个结构不仅可以适用于多种不同的拓扑结构保持的网格简化方法,还适用于拓扑可变 的网格简化方法,可应用于任意网格模型.在此基础上还设计了一种基于拓扑结构可变的网 格简化算法;顶点合并.通过顶点合并和顶点分裂两个对偶操作,实现不同细节层次模型之间 的平滑转换,并能够自适应地改变模型的拓扑结构.