东北大学计算机图形学10
26页1、第10章 实时真实感图 形学技术绪论在前面的几章中,我们已经详细介绍 了各种光照明模型及它们在真实感图形 学中的一些应用方法,它们都是用数学 模型来表示真实世界中的物理模型,可 以很好的模拟出现实世界中的复杂场景 ,所生成的真实感图象可以给人以高度 逼真的感觉。但是,我们发现,用这些 模型生成一幅真实感图象都需要较长的 时间,尤其对于比较复杂的场景,绘制 的时间甚至可以达到数个小时。尽管现在的计算机硬件水平有了很大 的提高,而且对于这些真实感图形学算 法的研究也有了很大的发展,但是,真 实感图形的绘制速度仍然不能满足某些 需要实时图形显示的任务要求。例如在 某些需要动态模拟、实时交互的科学计 算可视化以及虚拟现实系统中,它们对 于生成真实感图形学的实时性要求很高 ,就必须采用实时真实感图形学技术。实时真实感图形学技术是在当前图形算法和硬 件条件的限制下提出的在一定的时间内完成真实 感图形图象绘制的技术。一般来说,它是通过损 失一定的图形质量来达到实时绘制真实感图象的 目的,就目前的技术而言,主要是通过降低显示 三维场景模型的复杂度来实现,这种技术被称为 层次细节(LOD:Level o
2、f Detail)显示和简化技术 ,是当前大多数商业实时真实感图形生成系统中 所采用的技术。在最近的几年中,又出现了一种 全新思想的真实感图象生成技术基于图象的绘 制技术(Image Based Rendering),它利用已有的 图象来生成不同视点下的场景真实感图象,生成 图象的速度和质量都是以前的技术所不能比拟的 ,具有很高的应用前景。10.1 层次细节显示和简化在实时生成真实感图形图象的过程中,在 前面的章节中我们已经介绍过,如果我们要得 到某种特定的视觉效果,那么生成图象的算法 的选择是有限的,因而要实现实时性,我们只 有从需要绘制的三维场景本身入手。在当前的 真实感图形学中,需要绘制的三维场景的复杂 度都非常高,一个复杂的场景可能会包含几十 甚至几百万个多边形,要实现对这种复杂场景 的实时真实感图形绘制是很困难的。一种自然 的想法就是通过减少场景的复杂度,来提高图 象绘制的速度。层次细节显示和简化技术就是 在这种背景下提出来的。当场景中许多面片在屏幕上的投影小 于一个象素,我们可以合并这些可见面 而不损失画面的视觉效果。层次细节技 术最初是为简化采样密集的多面体网格 物体,而
3、设计的一种算法。这些复杂的 多面体网格往往通过激光扫描测距系统 扫描真实三维物体而得到。为真实反映 原物体的表面变化,扫描过程中所采取 的采样点非常稠密,这为三维场景的存 储/传输/及绘制带来极大的困难。为此人 们开始研究复杂多面体网格的简化。层次细节显示简化技术就是在不影响画面 视觉效果的条件下,通过逐次简化景物的表面 细节来减少场景的几何复杂性,从而提高绘制 算法的效率。该技术通常对一个原始多面体模 型建立几个不同逼近程度的几何模型。与原模 型相比,每个模型均保留一定层次的细节,当 从近处观察物体时,我们采用精细的模型,而 当从远处观察物体时,则采用较粗糙的模型, 这样对于一个较复杂场景而言,我们可以减少 场景的复杂度,同时对于生成的真实图象的质 量的损失还可以在用户给定的阈值以内,而生 成图象的速度也可以大幅度的提高。这是层次 细节显示和简化技术的基本原理。 但是,需要注意的是,当视点连续变化 时,在两个不同层次的模型之间就存在一个 明显的跳跃,有必要在相邻层次的模型之间 形成光滑的视觉过渡,即几何形状过渡,使 生成的真实感图象序列是视觉光滑的。层次 细节显示和简化技术的研究主要
4、集中于如何 建立原始网格模型的不同层次细节的模型以 及如何建立相邻层次的多边形网格模型之间 的几何形状过渡。对于原始网格模型的不同层次细节的模型的 建立,我们假设场景的模型都是三角形网格(在 实际应用中,为了绘制方便,三维场景最后一般 都被转化为三角形网格),从网格的几何及拓扑 特性出发,存在着三种不同基本化简操作,它们 分别是顶点删除操作,删除网格中的一个顶点, 然后对它的相邻三角形形成的空洞作三角剖分, 以保持网格的拓扑一致性;边压缩操作,把网格 上的一条边压缩为一个顶点,与该边相邻的两个 三角形的退化(面积为零),而它的两个顶点融 合为一个新的顶点;面片收缩操作,把网格上的 一个面片收缩为一个顶点,该三角形本身和与其 相邻的三个三角形都退化,而它的三个顶点收缩 为一个新的顶点。这些操作如图10.1所示。图10.1 层次细节模型化简的基本操作利用这些基本操作,我们只要确定每次 操作给网格场景带来的误差计算,用这个 误差代价计算方法来计算原始网格上的每 一个基本元素的误差作为权值,插入到一 个按权值增序排列的队列中。然后开始循 环进行网格基本化简操作。在每一次循环 中,我们选取队首权
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