[发明专利]一种保持外观特征的网格模型简化方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及三维虚拟场景中对模型的实时简化操作。特别涉及对这种操作的一种特有的具有外观保持性的方法。

二、背景技术

在实际应用中，为了使三维空间中的物体获得更高的真实感和层次感，需要使用复杂的、细节化的网格模型进行表示。然而针对不同的应用场合，考虑计算机储存容量、处理速度、渲染速度、传输速率等各种因素的平衡折中，可以选择一个合适的低分辨率模型来代替原始模型。这种通过对原始多边形网格模型进行自动简化处理，生成一系列不同分辨率、不同精细度的模型以供渲染时使用的技术被称为多细节层次(Level of Detail，或简称LoD)技术[D.Luebke，M.Reddy，J.Cohen，A.Varshney，B.Watson，R.Huebner，Level of Detail for 3D Graphics.CA：Morgan Kaufmann，2002.]，生成的模型称为多细节层次模型或多分辨率模型。

多细节层次技术需要解决的问题之一就是如何简化网格模型，即如何快速地对多边形网格进行简化，以生成多分辨率模型，同时还要保证在一定的顶点数目的条件下，生成的模型与原始模型保持一定的相似度。针对实时的虚拟场景中，简化网格模型的算法必须保证一系列简化模型的连续性、实时性、保持外观特征性，并且减少空间占用加快渲染速度。

对网格简化算法的分类标准有很多种，如输入输出模型的特征、简化的具体方法、简化后的模型是否引入新顶点等等。我们可按照简化的机制，将算法分为重采样型、自适应细分型、几何元素删除型。

采样法通过对原始模型的几何表示进行采样，从而形成新的模型，包括两种途径：一种是对模型表面的点进行采样，如Greg Turk提出的重新布点法(re-tilling)[G.Turk，Re-tiling Polygonal Surfaced，Proceedings of SIGGRAPH92，vol.26(2)，pp.55-64，1992.]；另一种是将模型转化为体素表示，然后用类似信号处理的方法来消除模型的高频细节，其代表为Taosong He提出的基于体素的对象简化(Voxel-based Object Simplification)[3Taosong He，Lichan Hong，et al.Voxel Based Object Simplification，Proceedings of the IEEE Visualization’95，pp.296-303，1995.]。自适应细分型算法首先给出一个与原始模型相近的基本模型，然后逐步递归地将其细分，增加细节，知道近似模型达到用户满意的精度为止。DeHaemer提出的算法是该类型算法的典型代表[Jr.M.DeHaemer，M.J.Zyda，Simplification ofObjects Rendered by Polygonal Approximations，Computer & Graphics，vol.15(2)，pp.175-184，1991.]几何元素删除算法又可以分为直接删除型和合并型。前者反复地把一个“不重要”的顶点或者三角形从网格模型中删除，并且对删除后留下的空洞重新进行三角化，典型代表是Shcroeder提出的基于顶点删除的算法和Hamann提出的基于三角形删除的算法[W.J.Schroeder，J.A.Zarge，W.E.Lorensen.Decimation of Triangle Meshes，Proceedings of SIGGRAPH92，vol.26(2)，pp.65-70，1992.B.Hamann.A Data Reduction Scheme for Triangulated Surfaces，Computer Aided Geometric Design，vol.11(2)，pp.197-214，1994.]。它的特点是计算量小且易于实现，能保持模型拓扑结构，简化模型的顶点为原模型顶点的子集。后者的思想是反复选取若干个(两个或以上)的几何元素，将它们合并成数目较少的几何元素。合并型算法有很多，有基于顶点聚类的[J.Rossignac，P.Borrel，Multi-resolution3D Approximation for Rendering Complex Scenes.Technical Report RC 17697，IBM Research Divison，TJ.Watson Research Center，Yorktown Heights，N.Y.10958，1993.周昆，潘志庚，石教英，一种新的基于顶点聚类的网格化简算法.《自动化学报》，vol.25(1)，pp.1-8，1999.]，有基于区域合并的[K.L.Low，T.S.Tan，Model Simplification Using Vertex-clustering，Symposium on Interactive 3D Graphics，pp.75-81，1997.]，还有最为流行的边折叠(Edge Collapse，又称为边收缩Edge Contraction)算法[A.D.Kalvin，R.H.Taylor，Surfaces：Polygonal Mesh Simplification with Bounded Error，IEEE ComputerGraphics and Applications，vol.16(3)，pp.64-77，1996.H.Hoppe，Progressive Meshes，Proceedings ofSIGGRAPH96，pp.99-108，1996.E.Bouvier，E.Gobbetti，TOM：Totally Ordered Mesh-AMulti-resolution Structure for Time Critical Graphics Applications，International Journal of Image andGraphics，vol.1(1)，pp.115-134，2001；李现民，李桂清，张小玲.基于子分规则的边折叠简化算法.《计算机辅助设计与图形学学报》，vol.14(1)，pp.8-13，2002.刘晓利，刘则毅等.基于尖特征度的边折叠简化算法.《软件学报》，vol.16(5)，pp.669-675，2005.]边折叠关键要解决两个问题：一是如何选取折叠边，一是如何确定代替边的新顶点的位置。Hoppe在1993年采用能量优化的方法来确定先选择哪条边以及新顶点的位置[H.Hoppe，T.DeRose，Tom Duchamp，Mesh Optimization，Proceeding of the SIGGRAPH92，vol.27，pp.19-26，1992.]。该算法要求建立和求解复杂的全局能量优化方程，计算量大，很难满足实时要求，但是生成模型的效果却是所有简化算法中最好的[何晖光，田捷等.网格模型化简综述.《软件学报》，vol.13(12)，pp.2215～2224，2002.]。Garland和Heckbert在1997年提出的二次误差测度(QEM)解决了Hoppe方法计算量大的问题，该算法使用二次误差度量来控制表面网格的简化，在速度、保真度、健壮性上获得了很好的平衡[12M.Garland，P.Heckbert，Surface Simplification Using Quadric Error Metric，Proceedings of SIGGRAPH97，pp.209-216，1997.]。