VR04多细节层次模型生成和绘制.
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第4章 多细节层次模型和绘制
计算机科学系 2009，5
主要内容
4.1 简介 4.2 基本概念 4.3 网格简化算法 4.4 多分辨率模型生成算法 4.5 实时连续LOD模型绘制 4.6 地形实时绘制
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第2页
4.1 简介
细节层次LOD（Level of Detail）
»简化过程中，删除的顶点具有尽量小的全局误差 »精化过程中，增加的顶点具有尽量大的全局误差
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第6页
4.2 基本概念
简化操作
– 指在网格模型简化过程中使用到的基本操作 – 包括
»顶点删除：把三角形中不重要的顶点删去 »三角形删除：若三角形的面积小于某个值，移去
顶点删除
基于顶点聚类的模型简化算法
– 赋予各顶点权值，特征变化较大的点权值大 – 根据物体复杂程度，相对大小等因素，把物体所
占空间划分为多个立方体单元 – 计算出立方体里各顶点的代表点 – 把位于立方体单元内的点用代表点代替，把产生
的退化多边形移去
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第10页
4.3 网格简化算法
与视点无关的LOD
– 预处理：存储局部变化的模型，一般采用基于三 角形折叠的算法
– 绘制时：依据视点的距离，选择局部细节变化大 的模型
– 特点：绘制速度快，但需要较多的存储空间
第4章 多细节层次模型生成和绘制
Baidu Nhomakorabea
第15页
4.5 实时连续LOD模型绘制
与视点相关的LOD
– 预处理：计算出每个顶点的误差值（几何误差和 屏幕误差的综合），根据视点、视见体等生成简 化模型
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第12页
4.4 多分辨率模型生成算法
MRM模型
– 适用于任意网格简化或精化操作 – 具有高效的数据结构，能快速遍历所有数据 – 不规则三角形网格，适用多种物体的多分辨率模
型
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第13页
4.5 实时连续LOD模型绘制
LOD绘制技术
并修改受影响的顶点对的代价
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第11页
4.4 多分辨率模型生成算法
简介
– 多分辨率模型是一种支持对同一场景中不同物体 或同一物体的不同部分，使用具有不同的细节的 描述方法的数据结构
– 控制场景复杂度、加速图形绘制、提高交互性的 一个非常有效的方法
– 主要方法
»基于小波的多分辨率分析 »基于网格简化或者网格细分的多分辨率模型
– 不同的物体或物体的不同部分采用不同的细节 – 绘制时，如果物体离视点比较远，或者物体比较
小，可以用较粗的LOD模型绘制，反之用较细 的模型绘制 – 同样，对运动快的物体用较粗的LOD模型绘制 ，反之用较细的模型绘制
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第4页
4.2 基本概念
误差度量
– 如何生成不同细节的模型
– 1976年Clark提出 – 指对同一场景或场景中的物体，使用具有不同细
节的描述方法得到一组模型，供绘制时选择使用 – 目的是减少模型的多边形个数，提高绘制速度 – 广泛应用于复杂场景快速绘制、飞行模拟器、3D
动画、虚拟现实等系统
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第3页
4.1 简介
LOD方法的基本思想
– 辅助加速绘制
»视见体裁剪 »背面剔除 »帧间连贯性
– 特点：不需要额外的外存，但计算细节的时间耗 费较多
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第16页
4.6 地形实时绘制
背景
– GIS地理信息系统 、虚拟现实和军事仿真等领域 – 地形数据宠大，实时绘制和内存管理能力有限
– 1990s后期地形多分辨率绘制技术研究大量盛行， 出现至少十种以上的典型算法
– 分成与视点相关和无关两类 – 视点无关：根据不同的误差标准预先生成不同精
度的模型，绘制时根据视点的位置选择相应的模 型绘制 – 视点相关：根据视点动态生成简化模型 – 比较
»前者需要较多存储空间，模型切换时会产生跳变 »计算量较大，模型能连续平滑过渡
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第14页
4.5 实时连续LOD模型绘制
– 几何元素直接删除型
»通过评价顶点或三角形的重要性，如果不重要则直接 删除，并对得到的空洞进行三角化
– 近平面合并型
»把近似位于同一平面上的相邻三角形合并
– 边折叠型
»搜索平面区域和特征边，然后使用边折叠操作简化模 型
»代表研究者Hoppe（微软研究院）
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第9页
4.3 网格简化算法
基于折叠操作的模型简化算法
– 基于边的折叠 – 步骤
»计算原始模型中每个顶点的误差矩阵Q »选有效的可进行折叠的定点对 »为每个顶点对（v1，v2）计算最优的用于代替V1，v2
的新点v0 »把所有顶点按折叠顺序放在堆中（V0T（Q1+Q2），
v0为折叠代价），最小代价放在顶部 »重复地把顶点对（v1，v2）从堆中输出，进行折叠，
– 规则网格方法(Uniform Grid Method)
多边形冗余大，易实时构造多细节模型LOD；视点附 近区域精度高。
第4章 多细节层次模型生成和绘制
三角形删除
第7页
4.2 基本概念
简化操作
– 包括（续）
»边折叠：把边折叠成一个新点，并把与边相连的点连 到新点
»三角形折叠：把三角形折叠成一个新点，并把与三角 形相连的点连到新点
边折叠
第4章 多细节层次模型生成和绘制
三角形折叠
第8页
4.3 网格简化算法
几何元素删除型算法
– 多分辨率技术主要包括
»LOD数据组织方式、误差计算、性能优化
– 1997年后基于规则三角形网成为主流的多分辨率 建模绘制技术
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第17页
4.6 地形实时绘制
地形的表示
– 不规则网格方法 TIN (Triangulated Irregular Network)
多边形少，地形表示精度低；数据结构复杂；检索面 速度慢，不易于地形的碰撞检测和变形处理。
局部误差
– 距离误差计算
D(z) E(z)
– 曲率误差计算
(2Z / x2 )2 2(2Z / xy)2 (2Z / y2 )2
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第5页
4.2 基本概念
全局误差
– 计算法
x,y Z(x, y) Z'(x, y)
– 具有较好的近似效果，但计算量大 – 一般用法
计算机科学系 2009，5
主要内容
4.1 简介 4.2 基本概念 4.3 网格简化算法 4.4 多分辨率模型生成算法 4.5 实时连续LOD模型绘制 4.6 地形实时绘制
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第2页
4.1 简介
细节层次LOD（Level of Detail）
»简化过程中，删除的顶点具有尽量小的全局误差 »精化过程中，增加的顶点具有尽量大的全局误差
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第6页
4.2 基本概念
简化操作
– 指在网格模型简化过程中使用到的基本操作 – 包括
»顶点删除：把三角形中不重要的顶点删去 »三角形删除：若三角形的面积小于某个值，移去
顶点删除
基于顶点聚类的模型简化算法
– 赋予各顶点权值，特征变化较大的点权值大 – 根据物体复杂程度，相对大小等因素，把物体所
占空间划分为多个立方体单元 – 计算出立方体里各顶点的代表点 – 把位于立方体单元内的点用代表点代替，把产生
的退化多边形移去
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第10页
4.3 网格简化算法
与视点无关的LOD
– 预处理：存储局部变化的模型，一般采用基于三 角形折叠的算法
– 绘制时：依据视点的距离，选择局部细节变化大 的模型
– 特点：绘制速度快，但需要较多的存储空间
第4章 多细节层次模型生成和绘制
Baidu Nhomakorabea
第15页
4.5 实时连续LOD模型绘制
与视点相关的LOD
– 预处理：计算出每个顶点的误差值（几何误差和 屏幕误差的综合），根据视点、视见体等生成简 化模型
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第12页
4.4 多分辨率模型生成算法
MRM模型
– 适用于任意网格简化或精化操作 – 具有高效的数据结构，能快速遍历所有数据 – 不规则三角形网格，适用多种物体的多分辨率模
型
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第13页
4.5 实时连续LOD模型绘制
LOD绘制技术
并修改受影响的顶点对的代价
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第11页
4.4 多分辨率模型生成算法
简介
– 多分辨率模型是一种支持对同一场景中不同物体 或同一物体的不同部分，使用具有不同的细节的 描述方法的数据结构
– 控制场景复杂度、加速图形绘制、提高交互性的 一个非常有效的方法
– 主要方法
»基于小波的多分辨率分析 »基于网格简化或者网格细分的多分辨率模型
– 不同的物体或物体的不同部分采用不同的细节 – 绘制时，如果物体离视点比较远，或者物体比较
小，可以用较粗的LOD模型绘制，反之用较细 的模型绘制 – 同样，对运动快的物体用较粗的LOD模型绘制 ，反之用较细的模型绘制
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第4页
4.2 基本概念
误差度量
– 如何生成不同细节的模型
– 1976年Clark提出 – 指对同一场景或场景中的物体，使用具有不同细
节的描述方法得到一组模型，供绘制时选择使用 – 目的是减少模型的多边形个数，提高绘制速度 – 广泛应用于复杂场景快速绘制、飞行模拟器、3D
动画、虚拟现实等系统
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第3页
4.1 简介
LOD方法的基本思想
– 辅助加速绘制
»视见体裁剪 »背面剔除 »帧间连贯性
– 特点：不需要额外的外存，但计算细节的时间耗 费较多
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第16页
4.6 地形实时绘制
背景
– GIS地理信息系统 、虚拟现实和军事仿真等领域 – 地形数据宠大，实时绘制和内存管理能力有限
– 1990s后期地形多分辨率绘制技术研究大量盛行， 出现至少十种以上的典型算法
– 分成与视点相关和无关两类 – 视点无关：根据不同的误差标准预先生成不同精
度的模型，绘制时根据视点的位置选择相应的模 型绘制 – 视点相关：根据视点动态生成简化模型 – 比较
»前者需要较多存储空间，模型切换时会产生跳变 »计算量较大，模型能连续平滑过渡
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第14页
4.5 实时连续LOD模型绘制
– 几何元素直接删除型
»通过评价顶点或三角形的重要性，如果不重要则直接 删除，并对得到的空洞进行三角化
– 近平面合并型
»把近似位于同一平面上的相邻三角形合并
– 边折叠型
»搜索平面区域和特征边，然后使用边折叠操作简化模 型
»代表研究者Hoppe（微软研究院）
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第9页
4.3 网格简化算法
基于折叠操作的模型简化算法
– 基于边的折叠 – 步骤
»计算原始模型中每个顶点的误差矩阵Q »选有效的可进行折叠的定点对 »为每个顶点对（v1，v2）计算最优的用于代替V1，v2
的新点v0 »把所有顶点按折叠顺序放在堆中（V0T（Q1+Q2），
v0为折叠代价），最小代价放在顶部 »重复地把顶点对（v1，v2）从堆中输出，进行折叠，
– 规则网格方法(Uniform Grid Method)
多边形冗余大，易实时构造多细节模型LOD；视点附 近区域精度高。
第4章 多细节层次模型生成和绘制
三角形删除
第7页
4.2 基本概念
简化操作
– 包括（续）
»边折叠：把边折叠成一个新点，并把与边相连的点连 到新点
»三角形折叠：把三角形折叠成一个新点，并把与三角 形相连的点连到新点
边折叠
第4章 多细节层次模型生成和绘制
三角形折叠
第8页
4.3 网格简化算法
几何元素删除型算法
– 多分辨率技术主要包括
»LOD数据组织方式、误差计算、性能优化
– 1997年后基于规则三角形网成为主流的多分辨率 建模绘制技术
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第17页
4.6 地形实时绘制
地形的表示
– 不规则网格方法 TIN (Triangulated Irregular Network)
多边形少，地形表示精度低；数据结构复杂；检索面 速度慢，不易于地形的碰撞检测和变形处理。
局部误差
– 距离误差计算
D(z) E(z)
– 曲率误差计算
(2Z / x2 )2 2(2Z / xy)2 (2Z / y2 )2
第4章 多细节层次模型生成和绘制
第5页
4.2 基本概念
全局误差
– 计算法
x,y Z(x, y) Z'(x, y)
– 具有较好的近似效果，但计算量大 – 一般用法