利用可编程GPU实现大规模地形场景的高性能漫游*

对已有算法进行了综述,并针对数据动态调度、自适应网格模型的生成以及数据的组织与数据裁剪等方面进行了研究并提出改进方法,设计了一种基于GPU编程实现的大规模地形场景的实时绘制与漫游算法。利用GPU端完成地形网格更新、地形块的自动选取、高度图和纹理图采样等大部分计算工作,大大减轻了CPU端的计算负载。实验表明,该算法实现简单,内存开销较少,有效提高了地形绘制的效率,适于大规模地形场景的实时高效漫游。     

一种大规模地形的快速漫游算法

地形漫游在仿真、模拟、虚拟现实等领域中有着广泛应用。大规模地形的实时漫游算法一般采用视见体裁剪和与视点相关的连续细节层次等技术来减少实际绘制的地形数据量。通过地形分块和视见体投影三角形扫描算法实现快速裁剪，通过调整顶点的高度值消除裂缝，通过基于三角形的四叉分割实现连续细节层闪地表简化，简化了算法实现，提高了算法效率，在没有利用帧连贯性的情况下，算法可以在PC机上实现较大规模地形的快速交互式漫游。     

基于投影网格的全球多分辨率地形绘制

提出一种基于投影网格的全球多分辨率地形绘制算法。利用投影网格剖分球面,快速完成视域内球面的非均匀网格化。对地形数据分层组织、分块存储,通过可视区域计算,实现高效率的地形数据装载和更新。由于每帧网格数量保持基本不变,确保了稳定的帧率。实验结果表明该算法在全球三维地形实时绘制上能取得较好的视觉效果,计算量小、具有较高的效率。     

基于Geometry Clipmap的三维地形可视化研究

随着数字科技的广泛应用和信息化普及的逐渐深入,实现地形的三维可视化的重要性日渐彰显。但目前的普通PC内存容量无法容纳海量的几何数据和纹理数据。为解决这个问题并提高绘制的效率,采用Geometry Clipmap算法绘制地形,充分利用GPU以提高绘制效率,通过顶点纹理获取各顶点高程值。同时,简化了三角形条带的组织方式,使用简化的视锥体裁剪方法和动态确定绘制层数方法减少需要绘制的顶点数。根据特定层结构,提出数据更新的新方法(二进制定位法)减少视点移动时各帧的数据更新量。实验结果表明,该方法使用很少的内存完成大规模地形绘制,且取得了较高的帧率,漫游流畅,保证了地形的真实感,能满足大规模地形实时可视化的要求。     

基于三角形二叉树的实时大规模地形渲染算法

提出一种大规模地形渲染算法,对大规模地形进行分块,用三角形二叉树表示地形网格,在实时漫游中,通过强制分割和强制合并实时更新网格,充分利用帧与帧之间的连贯性并自动避免裂缝。实验结果表明,该算法可以有效提高ROAM算法性能,能以较高帧速实现大规模地形的实时漫游。     

基于ROAM的大规模地形渲染研究

针对大规模地形渲染数据量过大的问题,采用ROAM算法进行多分辨率渲染,通过分块地形数据加载,可视区域定位,地形粗糙度和视点位置,对地形进行有选择的细化,提高地形的构建效率.在实时漫游中,通过强制分割和强制合并实时的调整三角网格,从而提高大规模地形帧率.     

大规模地形的快速漫游算法

虚拟战场仿真中,对大规模地形进行实时、逼真的绘制是个关键问题.在ROME算法的基础上采用了基于视点的连续LOD优化算法,通过对大规模地行进行预分块,采用投影三角形扫描算法实现快速裁剪,较大的减少了实际需要绘制的网格数据量,提高了运算速度,在实时性方面有了较大的改进.对于不同等级网格边界间的裂缝问题,采用ROME算法中的基于二元三角形的强制分割方法消除.实验结果表明,算法运行结果良好,在普通PC机上实现了动态的具有连续细节层次的大规模地形实时漫游.算法简单实用,地形渲染后的视觉效果良好.     

基于GPU的大规模时空连续性地形Geomorphing算法

针对地形可视化过程中时间和空间连续性问题,提出一种在大规模地形场景漫游过程中地形Geomorphing(几何过渡)改进算法.基于Geomorphing原理,通过划分地形块的区域,计算块内不同区域顶点的时间和空间权值,在GPU中同时完成LOD平滑过渡和裂缝处理.实验表明,在4096×4096的地形数据范围内,算法能够以平均每秒60帧的帧率完成地形的实时平滑漫游,并且在可视化过程中消除了突跳和裂缝现象.     

基于四叉树分割的连续LOD漫游地形绘制

针对大规模地形数据访问量大、场景渲染消耗内存大、实时渲染效率低的问题,提出了一种基于四叉树分割的连续LOD(层次细节)地形绘制方案,实现了多分辨率地形的快速绘制.视见体裁剪算法判断次数少,并结合四叉树分割过程,快速地对地形数据进行裁剪.采用与视点和地形粗糙度相关的分割评价系统,在预处理阶段对地形粗糙度误差进行计算,提升了地形实时绘制的速度:同时对分割标志位按位存储,使得内存占有率大幅减少.通过分割低分辨率节点边的方式,消除了节点间裂缝.算法运行效果良好,在普通PC机上即可达到较高的帧频率和较好的漫游效果.     

三维地形模型流式传输方法

为满足基于网络的大规模地形漫游系统中有限的网络带宽与海量地形数据之间的矛盾,提出了一种三维地形流式渐进传输方法。该方法在服务器端对地形数据进行预处理,首先将地形数据进行分块,再对分块后的数据进行小波变换,最后用多级树集合分裂(SPIHT)算法将变换后的数据组织成多条渐进码流。客户端在运行时根据视点的位置,漫游的速度和方向确定周围各地块的传输规则,使各地块的传输量进行自适应调整,同时采用二级缓存机制缓解网络拥塞时数据供应压力。实验表明,该方法能很好地支持客户端基于GPU的多分辨率地形构造并在各种网络带宽情况下保持较高的绘制帧率,保证网络交互绘制的实时性。     

屏幕空间自适应的地形Tessellation绘制

为了在大规模真实感地形渲染中利用GPU硬件加速的Tessellation技术,在对地形Tessellation原理分析的基础上,提出一种屏幕空间自适应的地形Tessellation绘制算法,实现了在GPU内部对地形模型的三角形自适应细分。该算法采用Tile和Patch的形式对地形数据进行分层组织,在CPU和GPU上分别以Tile和Patch为基础实现地形LOD(level of detail)的自适应简化;提出在Hull Shader上基于Patch边界的细分系数计算模型,确保了Patch细分时的无缝连接;给出了Domain Shader上置换贴图的处理过程,以实现细分顶点的高程纹理映射;并且采用了两级视锥体裁剪机制,减少了渲染数据的冗余量。实验结果表明,该算法具有较好的屏幕空间自适应性和渲染性能,能够在输入粗糙网格的基础上,渲染输出高分辨率几何细节特征的地形模型。     

Multi-resolution terrain rendering with GPU tessellation

GPU tessellation is very efficient and is reshaping the terrain-rendering paradigm. We present a novel terrain-rendering algorithm based on GPU tessellation. The planar domain of the terrain is partitioned into a set of tiles, and a coarse-grained quadtree is constructed for each tile using a screen-space error metric. Then, each node of the quadtree is input to the GPU pipeline together with its own tessellation factors. The nodes are tessellated and the vertices of the tessellated mesh are displaced by filtering the displacement maps. The multi-resolution scheme is designed to optimize the use of GPU tessellation. Further, it accepts not only height maps but also geometry images, which displace more vertices toward the higher curvature feature parts of the terrain surface such that the surface detail can be well reconstructed with a small number of vertices. The efficiency of the proposed method is proven through experiments on large terrain models. When the screen-space error threshold is set to a pixel, a terrain surface tessellated into 8.5 M triangles is rendered at 110 fps on commodity PCs.     

大规模三维地形生成算法的实施与分析

为了探讨适合于虚拟现实中大规模三维地形生成的算法,文章分析了均匀网格算法和ROAM算法的原理及其特点,基于Molehill渲染引擎采用两种不同的算法实施了地形数据的模拟与绘制。实验结果表明,由于ROAM算法可根据视点的位置动态地计算模型的细节层次,减少了每帧渲染多边形的数量,所以,提高了大规模地形数据的运算效率,适合于大规模三维地形场景的虚拟建模需求。     

一种大规模地形的高效绘制算法

大规模地形的实时可视化是仿真和虚拟地理环境系统的重要问题。文章提出了一种基于规则网格的视点相关的地形模型实时生成及绘制算法。该算法采用类似于纹理多重映射的技术,以屏幕误差作为细分的依据,通过基于地形小块的自顶向下的细分来实时生成地形连续LO D模型。在PⅣ1.7G、集成显卡、256M B RAM的硬件平台上,本算法可实现对257×257个采样点地形的实时漫游.实验表明,该算法具有较低的时间、空间开销,适于大规模地形的实时可视化。     

针对层次式累进网格模型的动态评估与调整

针对层次式累进网格模型提出一种动态评估与动态调整的方法,为交互式变形构建最合理的数据信息。分别从细节层次和规范程度两个角度对网格模型进行评估,其中细节层次不仅包括由模型位置决定的全局细节层次,还包括由视锥原则、曲面法向量、屏幕空间几何误差和变形参与度确定的局部细节层次;规范程度衡量分为流形和定向性确定的拓扑结构规范,以及由几何元素确定的几何属性规范。依据评估结果,动态调整模块使用一系列调整操作,对模型的拓扑结构和几何属性进行修正。实验结果证明该方法能够保证良好的渲染效果,很好地保持合理的模型拓扑结构,而且在保证视觉效果和变形需求的情况下具有实时性与自适应性。     

基于四叉树的分形地形实时动态生成算法

介绍一种结合分形算法与四叉树算法生成动态随机地形的新方法,并提出一种融合地形中点位移法及四叉树递归分割算法的实时优化算法,利用可见性剔除的简化策略和三角形扇的数据简化存储方式,解决地形绘制的裂缝、突跳问题,采用纹理混合贴图方式的渲染方法实现该层次细节模型的地形渲染。通过对该算法的实现和优化,在保证一定地形环境的视觉真实程度前提下,减少开销,从而达到提高实时渲染速度的目的。     

基于网格模型的运动补偿帧频提升研究

提出一种基于三角形网格的帧频提升方法。对当前帧做冗余小波变换提取特征节点,基于特征节点利用Delaunay三角剖分将当前帧划分为三角形网格,在网格确定的搜索范围内估计特征节点的运动矢量,利用特征节点的运动矢量和参考帧生成内插帧。实验结果表明,该方法比传统的运动帧频提升方法有更好的效果。     

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.     

一种高效的Delaunay三角网合并生成技术

在传统的建模方法中，规则三角网方法（GRID）由于是在格网点上对格网周围采样点按照距离远近加权平均，难以在细节上反映原貌，精度不高；不规则三角网方法（TN）按照某种原则（delaunay)将采样点直接民网，建立起模型，但是建模过程复杂，内存耗费很大，当原始采样数据量很大时，效率很低，引进四叉树分块生成标准delaunay网格，并采用凸壳边界跟踪优化合并形成三角网格，大大提高delaunay三角网生成速度，提高了建模效率。     

基于四叉树的缓存复用机制地形算法

为了减少地形数据的冗余,实现缓存复用,在研究了Geo-CLipmap算法的基础上,针对其采用嵌套网格一次只能渲染单张高程图的方案,提出了一种块状四叉树的数据结构,同时分开存储节点的位置信息和高程信息,有效地减少了数据大小和数据交换,实现了顶点和索引缓存的复用;利用掩膜填充不同分辨率网格之间的缝隙,避免了加入光照后的几何失真,并使用几何过渡消除几何体的跳变。经过实验测试,该算法能有效地压缩数据量,在稳定帧速的情况下,实现地形的无缝渲染。