技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明可用于三維模型可視化，尤其是大規(guī)模場景、模型數(shù)量較多的情況。尤其涉及一種動態(tài)細(xì)節(jié)層次模型實(shí)現(xiàn)的方法。

背景技術(shù)：

在三維空間地理信息可視化系統(tǒng)中，大規(guī)模三維模型的可視化作為其重要的組成部分，廣泛應(yīng)用在數(shù)字城市、數(shù)字交通、數(shù)字海洋等領(lǐng)域中。三維模型具有靈活度高、展示性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠極大的增加可視化的真實(shí)感和沉浸感。但是，一方面，三維模型的真實(shí)性往往取決于模型網(wǎng)格的精細(xì)程度和紋理的分辨率，一個(gè)精細(xì)的模型往往擁有百萬級別的三角面片和數(shù)百兆大小的紋理貼圖。另一方面，三維空間地理信息可視化系統(tǒng)往往具有場景范圍大、模型數(shù)量多等特點(diǎn)，一個(gè)數(shù)字城市可能需要展示十萬級數(shù)量的樓宇，一個(gè)數(shù)字交通應(yīng)用有可能需要展示百萬級數(shù)目的車輛。

在大規(guī)模場景下，顯示海量的精細(xì)三維空間模型對系統(tǒng)的渲染能力、存儲能力、網(wǎng)絡(luò)傳輸能力等都帶來了極大的挑戰(zhàn)，甚至?xí)捎趦?nèi)存、I/O、計(jì)算等方面的限制導(dǎo)致系統(tǒng)的卡頓和崩潰。

細(xì)節(jié)層次模型，也稱LOD模型，是一種實(shí)時(shí)的三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)。細(xì)節(jié)層次模型能夠做到當(dāng)用戶視點(diǎn)離物體較近時(shí)，能觀察到模型的細(xì)節(jié)，當(dāng)用戶視點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離模型時(shí)，觀察到的細(xì)節(jié)逐漸模糊。細(xì)節(jié)層次模型可以避免因繪制意義相對不大的細(xì)節(jié)而造成的時(shí)間浪費(fèi)，提高復(fù)雜場景的生成和顯示速度。細(xì)節(jié)層次模型在交互式可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，細(xì)節(jié)層次模型有靜態(tài)和動態(tài)之分。

靜態(tài)細(xì)節(jié)層次模型是一種較簡單的細(xì)節(jié)層次模型。它通過模型網(wǎng)格簡化算法預(yù)先生成一個(gè)或一組獨(dú)立的、有不同精細(xì)度的簡化模型。這些簡化模型一般按照由精細(xì)到粗糙的順序排列，互相之間沒有外在的聯(lián)系。系統(tǒng)根據(jù)不同場合的需要，從這組靜態(tài)模型中選用一個(gè)最合適的模型供繪制使用。

靜態(tài)細(xì)節(jié)層次模型可以減少可視化時(shí)CPU的計(jì)算壓力，使用方便，繪制快捷。但是靜態(tài)細(xì)節(jié)層次模型不能得到任意分辨率的模型，靜態(tài)細(xì)節(jié)層次模型的層數(shù)越多，存儲壓力也越大。而且，由于不同精細(xì)度的逼近模型中三角形數(shù)目往往相差很大，因此在層次之間切換就會產(chǎn)生“跳躍”的視覺效果，影響用戶體驗(yàn)。

動態(tài)細(xì)節(jié)層次模型則需要事先創(chuàng)建適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候，按用戶的需求從該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中提取相應(yīng)的層次細(xì)節(jié)，并生成適合當(dāng)前需要的簡化模型。動態(tài)次節(jié)層次模型中每個(gè)模型的簡化程度不是預(yù)處理的時(shí)候固定的，而是由模型之外的因素決定，例如用戶的視點(diǎn)距離。

由于動態(tài)細(xì)節(jié)層次模型可以實(shí)時(shí)地得到任意分辨率的近似模型，所以動態(tài)細(xì)節(jié)層次模型不需要保存多個(gè)副本，可以大大減輕存儲壓力，并且在用戶瀏覽時(shí)做到層次平滑切換，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。但是動態(tài)層次模型對模型實(shí)時(shí)生成的速度卻有著較高的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服背景技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種動態(tài)細(xì)節(jié)層次模型實(shí)現(xiàn)的方法，其特征在于包括對模型的預(yù)處理和對自定義文件解析兩部分：

1. 對模型的預(yù)處理：

1.1.找出最小度量誤差的頂點(diǎn)序列；

1.2.保存被刪除點(diǎn)舊id和新id的對應(yīng)permutation[vertex[i]->id]= vertex.num-1；

1.3.保存替代頂點(diǎn)的舊id到map[vertex.num-1]；

1.4.對折疊代價(jià)或度量誤差最小的頂點(diǎn)序列進(jìn)行半邊折疊，并更新被刪除點(diǎn)的鄰居點(diǎn)的度量誤差；

1.5.步驟1.1到步驟1.4循環(huán)vertex.num次；

1.6.利用permutation數(shù)組將map中的替代頂點(diǎn)的舊id替換為新id，map[i] = permutation[map[i]]；

1.7.利用permutation數(shù)組對頂點(diǎn)按重要度進(jìn)行排序，將三角形三元組的舊id替換為新id；

2.解析自定義文件

2.1. 用原模型頂點(diǎn)數(shù)vert.num乘以精簡度percent得到新模型的頂點(diǎn)數(shù)vert.num * percent，取出前vert.num * percent個(gè)頂點(diǎn)；

2.2. 對三角形序列的三個(gè)頂點(diǎn)序號tri.at(i).t[0]，tri.at(i).t[1]，tri.at(i).t[2]，分別根據(jù)map折疊數(shù)組快速找到替代頂點(diǎn)序號；

2.3. 如果三角形序列的三個(gè)頂點(diǎn)序號tri.at(i).t[0]，tri.at(i).tri[1]，tri.at(i).tri[2]有相同的，則表示這個(gè)三角形無效；

2.4. 根據(jù)前vert.num * percent個(gè)頂點(diǎn)和有效三角形得到任意比例的模型，最終實(shí)現(xiàn)動態(tài)細(xì)節(jié)層次模型。。

本發(fā)明通過預(yù)處理對頂點(diǎn)按重要程度排序并保存折疊序列，能快速生成任意比例的模型，符合實(shí)現(xiàn)動態(tài)細(xì)節(jié)層次模型的要求。

具體實(shí)施方式

一種動態(tài)細(xì)節(jié)層次模型實(shí)現(xiàn)的方法，其特征在于包括對模型的預(yù)處理和對自定義文件解析兩部分：

1. 對模型的預(yù)處理：

1.1.找出最小度量誤差的頂點(diǎn)序列;例如u->v，稱u為被刪除頂點(diǎn)，v為代替頂點(diǎn)；

度量誤差可以使用二次誤差來進(jìn)行度量。假設(shè)頂點(diǎn)u折疊到頂點(diǎn)v，則基于二次誤差的半邊折疊的度量誤差為u到所有包含頂點(diǎn)v的三角平面的距離之和。一個(gè)三維空間中的三角平面可以用方程ax + by + zc + d = 0（其中a2 + b2 + c2 = 1）來表示，令p = [a b c d]T代表包含頂點(diǎn)v的一個(gè)平面，點(diǎn)u的坐標(biāo)為[x y z 1]T，則點(diǎn)u到三角平面p距離的平方為：

其中：

令

為點(diǎn)v的二次誤差測度矩陣，其中為所有包含頂點(diǎn)v的三角面的集合。

度量誤差為：

1.2.保存被刪除點(diǎn)舊id和新id的對應(yīng)permutation[vertex[i]->id]= vertex.num-1；

1.3.保存替代頂點(diǎn)的舊id到map[vertex.num-1]；

1.4.對折疊代價(jià)或度量誤差最小的頂點(diǎn)序列進(jìn)行半邊折疊，并更新被刪除點(diǎn)的鄰居點(diǎn)的度量誤差；

對頂點(diǎn)對uv進(jìn)行半邊折疊，去除既包含頂點(diǎn)u又包含頂點(diǎn)v的三角形或以uv為邊的三角形。然后，更新所有剩下的三角形，把所有用到頂點(diǎn)u的地方都用頂點(diǎn)v代替，移除頂點(diǎn)u。更新頂點(diǎn)u鄰居點(diǎn)的度量誤差。

1.5.步驟1到步驟4循環(huán)vertex.num次；

1.6.利用permutation數(shù)組將map中的替代頂點(diǎn)的舊id替換為新id，map[i] = permutation[map[i]]；

1.7.利用permutation數(shù)組對頂點(diǎn)按重要度進(jìn)行排序，將三角形三元組的舊id替換為新id；

1.8.預(yù)處理后，頂點(diǎn)id和重要度是一致的，也就是是說頂點(diǎn)是有序的。越重要的頂點(diǎn)，頂點(diǎn)編號越?。辉讲恢匾捻旤c(diǎn)，頂點(diǎn)編號越大。而map中則記錄著折疊序列。對頂點(diǎn)數(shù)組按id寫入自定義文件，并將三角形三元組和map數(shù)組寫入自定義文件。

2.解析自定義文件：

2.1.用原模型頂點(diǎn)數(shù)vert.num乘以精簡度percent得到新模型的頂點(diǎn)數(shù)vert.num * percent，取出前vert.num * percent個(gè)頂點(diǎn)；

2.2.對三角形序列的三個(gè)頂點(diǎn)序號tri.at(i).t[0]，tri.at(i).t[1]，tri.at(i).t[2]，分別根據(jù)map折疊數(shù)組快速找到替代頂點(diǎn)序號；

2.3.如果三角形序列的三個(gè)頂點(diǎn)序號tri.at(i).t[0]，tri.at(i).tri[1]，tri.at(i).tri[2]有相同的，則表示這個(gè)三角形無效。

2.4.根據(jù)前vert.num * percent個(gè)頂點(diǎn)和有效三角形得到任意比例的模型。

本發(fā)明通過預(yù)處理對頂點(diǎn)按重要程度排序并保存折疊序列，能快速生成任意比例的模型，符合實(shí)現(xiàn)動態(tài)細(xì)節(jié)層次模型的要求。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。