[发明专利]面向复杂三维CAD模型的海量场景渐进式更新算法

说明书

技术领域

本发明属于计算机图形学和多媒体与虚拟现实技术领域，尤其涉及一种面向复杂三维CAD模型的海量场景渐进式更新算法。

背景技术

在机械制造(如飞机制造、高铁机车制造和造船)等行业，越来越多得使用了复杂产品制造信息化技术，特别是在产品设计、制造的生命周期中使用率虚拟样机技术。

虚拟样机技术是一种基于产品计算机仿真模型的数字化设计方法，及从视觉、听觉、触觉以及功能和行为上模拟真是产品的技术。复杂产品虚拟样机技术是在各领域CAX(如CAD、CAM、CAE等)/DFX(如DFA、DFM等)技术基础上进一步融合先进建模/仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期、全系统，并对他们进行综合管理和强调虚拟化，从系统的层面来分析、模拟复杂产品的一种系统化的工程设计与管理方法。复杂产品全生命周期虚拟样机的开发关键就是复杂产品三维模型的仿真及在方针环境下的可视化编辑技术。而复杂模型自身存在的模型数据量大、结构拓扑复杂等特点向计算机软件及硬件都带来了很大的挑战。目前复杂三维模型的仿真可视化技术主要有两种：

一是通过输出敏感技术降低模型场景的绘制复杂度。这方面的主要技术有：可见性剔除、简化、层次细节、缓存一致的数据排布和空间索引及其在线更新等。

二是采用并行绘制技术，利用计算机集群代替单一的计算机来对模型进行处理。目前并行绘制技术主要分为sort-first(数据分布型并行图形绘制)，sort-middle(渲染指令级并行)，sort-last(渲染像素级并行)三大类。

目前已有的一些大规模复杂场景浏览系统，如被卡大学的GigaWalk，意大利CRS4可视化计算小组的FarVoxels，普林斯顿大学的iWalk，霍普津斯大学的vLOD，Saarland大学开发的基于共享内存式多CPU架构的大规模CAD模型绘制系统以及浙江大学的AdaptiveVoxels系统等。

海量三维模型绘制技术尽管得到了广泛的重视，但其理论和方法仍不够成熟，大大限制了它的应用。首先，现有的海量模型场景树都只适用于静态场景。对于需要进行动态更新的场景必须要重新计算场景树。其次，已有的外存文件技术不支持对场景数据进行增量更新保存，因而场景的更新不能持久化。最后，缺乏对更新场景的在线简化技术，因而不能支持更新场景的绘制。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种面向复杂三维CAD模型的海量场景渐进式更新算法。其在海量三维CAD数据场景更新后的在线绘制功能方面取得了突破，形成原型验证系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括以下步骤：

(1)构建支持场景在线更新的系统架构；

(2)用不同的文件分别保存场景树数据，模型输入几何数据和简化LOD模型数据；

(3)快速更新整个场景空间索引，使其在绘制加速算法中保持有效；

(4)基于PC多GPU硬件平台的海量三维场景LOD模型并行在线构造技术。

本发明旨在研究面向复杂三维CAD模型的海量场景渐进式更新算法。以场景树更新技术为基础，研究空间剖分索引的增量更新和LOD模型并行计算的简化问题，致力于解决外存文件数据更新的效率问题、空间索引更新时的重构优化问题和在线LOD简化任务调度问题。采用基于块的外存文件结构及相应更新算法、自适应的空间索引更新算法和基于优先级的简化任务调度算法，最终在海量三维CAD数据场景更新后的在线绘制功能上取得突破，形成原型验证系统。

本发明的设计思路是：对于更新后的海量三维场景，为避免重构全部的空间剖分索引和LOD模型，通过缩小空间剖分索引结点的更新集合和可能需简化的LOD结点集合，来减少场景更新的计算量，结合基于多GPU得快速体素LOD模型简化方法，加速场景更新速度，达到在线交互绘制的目的。

所述步骤(1)中，场景并行更新算法流程方面，在外存算法之后插入空间索引动态剖分算法，在可见性剔除算法之后插入并行简化算法；硬件架构方面，本发明采用的并行简化部署方案为：基于一台PC的多GPU并行简化架构。

所述步骤(2)中，包括一个支持海量三维模型更新的外存算法，步骤如下：

(a)将外存文件划分为固定大小的块，然后将物体剖分后包围体中的几何数据送入到这些文件块中；

(b)开辟足够大的文件，计算出一个与新加物体距离最近的已有物体集合；