面向大规模重复结构CAD模型的快速截面可视化方法

截面可视化是揭示复杂三维CAD模型内部结构的有效方法,但目前基于面片求交的截面可视化方法计算量大,难以实现大规模CAD模型的交互可视化,为此提出一种结合面片求交和3D纹理的混合截面交互可视化方法.针对由少量基本对象按规律摆列而成的规则CAD模型-重复结构CAD模型,在预处理阶段,将所有基本对象离散成高精度3D纹理;在可视化对象选取阶段,通过截面可视化裁剪算法选择可视化对象;在截面可视化阶段,通过预估每个对象在屏幕的投影情况选择可视化方法.该方法基于中国科学院核能安全技术研究所FDS团队自主研发的超级蒙卡核模拟软件系统SuperMC进行研究,并使用全堆芯模型以及铅基反应堆模型进行测试,结果表明,该方法视觉效果接近基于面片求交的方法,同时实现了交互可视化.     

面向移动终端的分布并行化渲染

目的 随着移动互联技术和实时渲染技术的快速发展,面向移动终端的3维展示提供了远程交互式的模型渲染,但较高的渲染计算复杂度与较大的数据处理规模,影响了移动终端3维展示的渲染质量和实时性。针对以上不足,提出一种面向移动终端的分布并行化渲染方法。方法 该方法将渲染任务分布到服务端与终端,服务端采用层次细节模型控制场景复杂度,生成初次渲染图像;终端采用基于图像的渲染技术再次绘制图像,提高渲染质量,同时在渲染过程中利用CUDA(compute unified device architecture)并行计算加速渲染数据处理。结果 本方法有效提高了渲染速度,降低了数据传输量,并保证了图像质量,帧率和数据传输量优化了大约10.8%。结论 本文方法为面向移动终端的3维展示提供了很好的解决途径,在移动网络环境中,能够有效降低服务端负载压力,提高资源利用率并改善用户体验。     

GPU Tessellation全球地形可视化方法

目的 目前全球大规模地形可视化问题基本都衍生于分块LOD(level of detail)方法,该方法在快速地表漫游中依然存在GPU-CPU的数据传输瓶颈,其基于裙边的缝隙修复方法既需要额外资源,还存在依然无法完全消除的痕迹。为解决这些问题,提出了一种GPU网格生成的地形可视化方法。方法 结合GPU Tessellation方法、基于视点与屏幕空间误差的LOD方法、局部坐标系渲染等算法,使得全球地形可视化的生成效率有明显提高。结果 实现了一个全球地形可视化系统GTVS,提供全球高精度地形数据与多分辨率高清卫星影像数据的调度与渲染等。论文对该系统进行了详实的实验和数据分析,相比传统基于GPU的分块LOD方法,FPS(frames per second)提升100%以上,很好地解决了系统瓶颈问题。结论 结果表明所提方法实用、鲁棒、扩展性好,可广泛地适用于大规模的全球渲染系统中。     

图像局部纹理特性的静电力触觉渲染

目的 触摸触觉设备感知物体时,需要实现视觉-力触觉同步反馈,其中图像-力触觉反馈难点在于再现更真实的纹理触感的触觉渲染过程。本文提出了一种基于图像局部纹理特征的静电力触觉渲染模型,实现了更加清晰、触感真实的图像纹理的静电力触觉反馈。方法 首先,采用局部傅里叶变换方法强化局部纹理特征,提取傅里叶变换系数分离出表征形状和局部纹理、边缘的频域分量。其次,对局部纹理特征进行力触觉渲染,建立局部纹理特征与驱动信号的映射模型,采用比例模型将局部纹理特征值转化为同等级的静电力表达。最后,根据静电力与驱动信号的心理学模型,由局部纹理特征控制不同驱动信号的输出产生静电力触觉。结果 进行纹理触觉对比感知实验验证算法有效性,62.5%的实验参与者偏爱基于图像局部纹理的触觉渲染算法反馈的纹理触感,本文算法可以模拟多种图像的纹理、边缘的触感。结论 算法在频域分离图像局部纹理、边缘和形状特征,建立纹理-力触觉渲染模型,针对大多数图片可以有效地增强纹理触感,提升触觉再现交互技术的沉浸感。     

基于面向对象八叉树的飞机虚拟维修场景渲染

为了加速大规模虚拟场景的渲染速度,采用基于面向对象八叉树的方法对场景进行渲染。该方法将面向对象技术与传统八叉树技术相结合,采用面向对象八叉树剖分虚拟场景,对场景进行管理;将物体结构树的最小零部件作为最小存储单元,采用叶节点保存对象信息,减小树的存储量和处理时间,降低算法的计算负担;在面向对象八叉树的基础上,采用模型遮挡裁剪算法对位于视域范围内的模型进行遮挡裁剪,减小实际渲染的物体数量,提高渲染速率。通过对飞机虚拟维修场景进行渲染实验,证明了该方法的有效性。     

渲染器与Web服务器耦合实现远程体 渲染的交互优化

目的 为使用户随时随地获得需要较大计算和存储资源的交互真实感体渲染服务,设计并实现了一种面向Web的远程真实感体渲染方法。方法 计算量较大的实时体渲染任务由远端渲染服务器中的GPU加速完成并通过WebSocket将渲染图像发送至客户端;客户端浏览器只需负责接收显示渲染图像并监听发送用户交互事件。提出了一种输出系统耦合算法用以连接输出图像速率较大的渲染服务器和发送图像速率较慢的Web服务器。算法能根据Web服务器发送图像的情况动态调整每次图像输出的迭代计算次数,改变渲染服务器输出图像的时间间隔以达到与Web服务器发送速度相平衡,同时保持渲染服务器持续工作。结果 实验比较了在不同网络传输条件下,采用输出系统耦合算法与直接连接渲染器和Web服务器,渲染4个不同数据集所需的完成时间及帧率等性能评价指标。在局域网和广域网环境下,本文方法分别最多只需17 s和14 s即可完成整个渲染过程,而采用直接连接渲染器和Web服务器的方法则分别至少需要31 s和60 s才能完成整个渲染过程。实验结果表明采用输出系统耦合算法在不同网络条件下均可较大地缩短整个渲染过程所需时间,使用户在较短时间内获得高质量渲染图像。结论 本文渲染器与Web服务器耦合实现远程体渲染交互优化的方法可让用户使用与计算能力无关的桌面或移动设备通过网络透明使用高性能渲染系统;系统采用的输出系统耦合算法能够根据网络承载能力自适应调整渲染器输出速度,使用户在不同的网络环境中均可以较快的速度获得高质量渲染图像。     

结合图像识别的移动增强现实系统设计与应用

目的 在移动互联网时代下,移动增强现实应用得到越来越快的发展。然而户外场景中存在许多相似结构的建筑,且手机的存储和计算能力有限,因此应用多集中于室内小范围环境,对于室外大规模复杂场景的适应性较弱。对此,建立一套基于云端图像识别的移动增强现实系统。方法 为解决相似特征的误匹配问题,算法中将重力信息加入到SURF和BRISK特征描述中去,构建Gravity-SURF和Gravity-BRISK特征描述。云端系统对增强信息进行有效管理,采用基于Gravity-SURF特征的VLAD方法对大规模图像进行识别;在智能终端上的应用中呈现识别图像的增强信息,并利用识别图像的Gravity-BRISK特征和光流结合的方法对相机进行跟踪,采用Unity3D渲染引擎实时绘制3维模型。结果 在包含重力信息的4 000幅户外图像的数据库中进行实验。采用结合重力信息的特征描述算法,能够增强具有相似特征的描述符的区分性,并提高匹配正确率。图像识别算法的识别率能达到88%以上,识别时间在420 ms左右;光流跟踪的RMS误差小于1.2像素,帧率能达到23 帧/s。结论 本文针对室外大规模复杂场景建立的基于图像识别的移动增强现实系统,能方便对不同应用的增强现实数据进行管理。系统被应用到谷歌眼镜和新闻领域上,不局限于单一的应用领域。结果表明,识别算法和跟踪注册算法能够满足系统的精度和实时性要求。     

TBR架构GPU中三角形高效光栅化

目的 在基于分块渲染(TBR)架构的GPU中,三角形光栅化的速度对芯片的性能影响很大,采用传统的光栅化方法会产生大量多余的像素,无法发挥TBR架构的优势.方法 提出了一种该架构下的高效三角形光栅化算法,该算法充分利用了分块渲染的特点,通过预处理计算出三角形在每一个块内的绘制参数,得出三角形与块边界的位置关系,并将其随三角形的分块信息一起写入存储器,在光栅化阶段采用了Bresenham算法,利用生成的三角形边得到在每一个块内的扫描水平线,进而生成水平线上的每一个像素.结果 经过理论分析,该算法的光栅化效率可以达到83%以上,甚至接近100%,在FPGA原型验证系统上对该算法进行了功能和性能的验证.结论 提出的三角形光栅化算法,能够适应TBR的架构,实际测试像素填充率与频率高一倍的ATI M9相当,因此该算法能够达到较高的光栅化效率.     

曲线笔触渲染的图像风格迁移

目的 针对GANILLA、Paint Transformer、StrokeNet等已有的风格迁移算法存在生成图像笔触丢失、线条灵活度低以及训练时间长等问题,提出一种基于曲线笔触渲染的图像风格迁移算法。方法 首先按照自定义的超像素数量将图像前景分割为小区域的子图像,保留更多图像细节,背景分割为较大区域的子图像,再对分割后的每个子区域选取控制点,采用Bezier方程对控制点进行多尺度笔触生成,最后采用风格迁移算法将渲染后的图像与风格图像进行风格迁移。结果 与AST （arbitrary style transfer）方法相比,本文方法在欺骗率指标上提升了0.13,测试者欺骗率提升了0.13。与Paint Transformer等基于笔触渲染的算法对比,本文能够在纹理丰富的前景区域生成细粒度笔触,在背景区域生成粗粒度笔触,保存更多的图像细节。结论 与GANILLA、AdaIN （adaptive instance normalization）等风格迁移算法相比,本文采用图像分割算法取点生成笔触参数,无需训练,不仅提高了算法效率,而且生成的多风格图像保留风格化图像的笔触绘制痕迹,图像色彩鲜明。     

数字地球渲染中单精度浮点数误差改正

目的 针对全球大场景渲染中单精度浮点数的低精度导致的图像抖动和撕裂问题,提出了一套完整的解决方法。方法 首先,使用全球四叉树结构来寻找新的坐标原点,避免了现有算法需要频繁切换世界坐标原点的缺点;其次,在新坐标系下进行坐标转换和矩阵转换,解决了像素坐标计算的误差导致的抖动问题;最后,在GPU中使用基于对数的深度计算方式来提高深度的分辨率,解决了深度计算误差导致的Z-Fighting现象。结果 实验结果表明所提方法能很好地解决单精度浮点导致的渲染问题。结论 此方法具有适应性强、实现复杂度低、精度和效率可控等优点。     

基于概率计算模型改进的相关性层次遮挡裁剪算法

对复杂动态场景进行高效的可见性裁剪是实时绘制领域研究中的一个重要问题.围绕该问题开展工作,并针对相关性遮挡裁剪算法中的问题进行了改进.针对相关性层次遮挡裁剪算法存在冗余和不必要遮挡查询的问题,给出了一种概率计算模型.通过比较遮挡查询时间开销与绘制时间开销的数学期望,改进了相关性遮挡裁剪算法中遮挡查询的查询策略,从而进一步缩小了查询集合,使遮挡查询更加合理.实验结果表明,该算法对深度复杂度高、面片数量大的复杂动态场景有较好的裁剪效率,能够很好地满足实时绘制的要求.     

Adaptive voxels: interactive rendering of massive 3D models

We present a novel approach for interactive rendering of massive 3D models. Our approach integrates adaptive sampling-based simplification, visibility culling, out-of-core data management and level-of-detail. We use a unified scene graph representation for acceleration techniques. In preprocessing, we subdivide large objects, and build a BVH clustering hierarchy. We make use of a novel adaptive sampling method to generate LOD models: AdaptiveVoxels. The AdaptiveVoxels reduces the preprocessing cost and our out-of-core rendering algorithm improves rendering efficiency. We have implemented our algorithm on a desktop PC. We can render massive CAD and isosurface models, consisting of hundreds of millions of triangles interactively with little loss in image quality.     

A digital mock-up visualization system capable of processing giga-scale CAD models

In the automotive, aerospace and naval industries, digital mock-up tools are always used for assembly examination, layout examination and interference checking. Generally, a digital mock-up is assembled from giga-scale CAD models. Because of limitations of computer hardware resources, a digital mock-up represented by traditional planar facets is too large to load into a computer’s memory for rendering. This article proposes a new geometric compression representation to represent given CAD models with curved triangular patches. Based on the compression representation, our digital mock-up visualization system can import several giga-scale CAD models into a computer’s memory simultaneously. A high performance rendering strategy to display the curved triangular patches is also presented. In the rendering strategy, a dynamic subdivision algorithm is introduced which is different from conventional LOD techniques in order to reduce memory consumption. In addition, an algorithm to convert CAD models to the curved triangular patches is introduced.     

虚拟环境中大范围三维地形模型简化方法研究与实现

大范围三维地形模型生成技术是虚拟自然环境和虚拟仿真领域中视景系统的重要组成部分,本文基于真实地形数据的地形生成及实时显示技术,分别介绍了常用的地形简化方法视截体裁剪技术、细节层次模型(LOD)技术和多分辨率纹理贴图(mip-map纹理)技术,并提出了一种基于视点变化的地形模型简化方法——基于视点自动裁剪的多LOD模型生成技术。     

Spherical Visibility Sampling

Many 3D scenes (e.g. generated from CAD data) are composed of a multitude of objects that are nested in each other. A showroom, for instance, may contain multiple cars and every car has a gearbox with many gearwheels located inside. Because the objects occlude each other, only few are visible from outside. We present a new technique, Spherical Visibility Sampling (SVS), for real‐time 3D rendering of such – possibly highly complex – scenes. SVS exploits the occlusion and annotates hierarchically structured objects with directional visibility information in a preprocessing step. For different directions, the directional visibility encodes which objects of a scene's region are visible from the outside of the regions' enclosing bounding sphere. Since there is no need to store a separate view space subdivision as in most techniques based on preprocessed visibility, a small memory footprint is achieved. Using the directional visibility information for an interactive walkthrough, the potentially visible objects can be retrieved very efficiently without the need for further visibility tests. Our evaluation shows that using SVS allows to preprocess complex 3D scenes fast and to visualize them in real time (e.g. a Power Plant model and five animated Boeing 777 models with billions of triangles). Because SVS does not require hardware support for occlusion culling during rendering, it is even applicable for rendering large scenes on mobile devices.     

大规模城市可计算模型快速构建方法研究

为了给数值模拟计算提供大规模城市的可计算模型,需要具备面向大空间尺度、海量数据、频繁更新的城市的快速可计算建模能力。但是,由于数据采集过程中存在的误差,以及模型处理所做的必要的简化操作,导致直接生成的数字城市模型中存在大量非闭合、相接、相交、悬空等CAD模型缺陷,使得城市模型不可用于数值模拟。而采用商用软件直接修复这些缺陷的代价过高。为此,提出面向大规模城市可计算模型的快速构建方法。通过分析LoD1城市模型中所涉及的CAD模型缺陷,提出了需满足的可计算条件和对应的处理方法。 提出的方法能够直接生成不存在CAD模型缺陷的城市可计算模型。为了提高可计算处理的效率,还提出了面向大规模城市的图形快速检索算法。实验表明,构建710 km2、30余万栋建筑、217万面片的可计算模型仅需约25 min,满足了在大规模城市上进行数值模拟的需求。     

An efficient GPU out‐of‐core framework for interactive rendering of large‐scale CAD models

Real‐time rendering of large‐scale engineering computer‐aided design (CAD) models has been recognized as a challenging task. Because of the constraints of limited graphics processing unit (GPU) memory size and computation capacity, a massive model with hundreds of millions of triangles cannot be loaded and rendered in real‐time using most of modern GPUs. In this paper, an efficient GPU out‐of‐core framework is proposed for interactively visualizing large‐scale CAD models. To improve efficiency of data fetching from CPU host memory to GPU device memory, a parallel offline geometry compression scheme is introduced to minimize the storage cost of each primitive by compressing the levels of detail (LOD) geometries into a highly compact format. At the rendering stage, occlusion culling and LOD processing algorithms are integrated and implemented with an efficient GPU‐based approach to determine a minimal scale of primitives to be transferred for each frame. A prototype software system is developed to preprocess and render massive CAD models with the proposed framework. Experimental results show that users can walkthrough massive CAD models with hundreds of millions of triangles at high frame rates using our framework. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

视点依赖的温室场景模拟与交互式漫游

为对包含日光温室的农业场景进行实时、逼真的绘制,采用基于视点的连续细节层次（LOD）来减少实际需要绘制的网格数据量,并基于包围盒技术实现了视点的碰撞检测,同时使用可见性剔除算法来加速场景渲染速度。在渲染温室内植物时,通过几何变换实现了大规模植物群体的快速构建,并在场景中使用阴影体算法来渲染阴影,生成了具有真实感的大规模温室农业场景。模拟结果表明该方法能有效地减少渲染的面元数目,大大提高了绘制速率,场景有较高的真实感,能够满足交互式实时漫游的要求。     

Interactive inspection of complex multi-object industrial assemblies

The use of virtual prototypes and digital models containing thousands of individual objects is commonplace in complex industrial applications like the cooperative design of huge ships. Designers are interested in selecting and editing specific sets of objects during the interactive inspection sessions. This is however not supported by standard visualization systems for huge models. In this paper we discuss in detail the concept of rendering front in multiresolution trees, their properties and the algorithms that construct the hierarchy and efficiently render it, applied to very complex CAD models, so that the model structure and the identities of objects are preserved. We also propose an algorithm for the interactive inspection of huge models which uses a rendering budget and supports selection of individual objects and sets of objects, displacement of the selected objects and real-time collision detection during these displacements. Our solution–based on the analysis of several existing view-dependent visualization schemes–uses a Hybrid Multiresolution Tree that mixes layers of exact geometry, simplified models and impostors, together with a time-critical, view-dependent algorithm and a Constrained Front. The algorithm has been successfully tested in real industrial environments; the models involved are presented and discussed in the paper.