A算機(jī)圖形學(xué)三角網(wǎng)格模型與LOD基本原理

會(huì)計(jì)學(xué)1A算機(jī)圖形學(xué)三角網(wǎng)格模型與LOD基本原理1.三角網(wǎng)格模型的生成

三角網(wǎng)格模型,是對(duì)物體表面的分段線性擬合,用一個(gè)三角面片的集合來逼近物體表面的幾何形狀.三角網(wǎng)格模型有三個(gè)要素,頂點(diǎn),網(wǎng)格邊,和三角面片.三角網(wǎng)格模型中最關(guān)鍵的是頂點(diǎn)之間的連接關(guān)系,確定了頂點(diǎn)之間的連接關(guān)系,就確定了網(wǎng)格模型.第1頁/共38頁1.三角網(wǎng)格模型的生成網(wǎng)格曲面的來源參數(shù)曲面的離散化細(xì)分曲面三維掃描儀采樣得到目前,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的三維模型主要是通過三維掃描儀采樣物體表面得到的.第2頁/共38頁1.三角網(wǎng)格模型的生成三維激光掃描儀工作原理目前最常用的是三維激光掃描儀,首先發(fā)射激光到被測(cè)物體表面,然后,通過測(cè)量反射光,確定物體表面上的點(diǎn)到事先指定的參考點(diǎn)的距離,進(jìn)一步,計(jì)算出被測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo).這種方法的缺點(diǎn)在于,它不能測(cè)量出光線被遮擋部分的點(diǎn);因此,一個(gè)物體表面必須從不同視點(diǎn)多次測(cè)量,才能得到完整數(shù)據(jù).第3頁/共38頁1.三角網(wǎng)格模型的生成從每一個(gè)視點(diǎn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù),稱為深度圖像,將深度圖像配準(zhǔn)得到物體表面的網(wǎng)格模型.這里有兩種方法:將每個(gè)深度圖像轉(zhuǎn)換為一片網(wǎng)格,每片網(wǎng)格配準(zhǔn)到全局坐標(biāo)系中,融合成物體表面的網(wǎng)格模型.第4頁/共38頁1.三角網(wǎng)格模型的生成2.將深度圖像作為無序點(diǎn)云,全部配準(zhǔn)到全局坐標(biāo)系中,得到物體表面的無序點(diǎn)云,從這個(gè)點(diǎn)云中重建出網(wǎng)格曲面,稱為網(wǎng)格重建.第5頁/共38頁2.網(wǎng)格簡(jiǎn)化與LOD技術(shù)

三角網(wǎng)格模型與LOD基本原理第6頁/共38頁2.網(wǎng)格簡(jiǎn)化與LOD技術(shù)

原因由三維掃描儀得到的三角網(wǎng)格模型,數(shù)據(jù)量很大,往往由幾萬,幾十萬,甚至上百萬個(gè)三角面片組成,例如,Stanford大學(xué)的Michelangelo工程中的David雕像,數(shù)據(jù)有32Gb,如此大的數(shù)據(jù)量給網(wǎng)格模型的繪制,傳輸,和編輯都帶來了很大的困難.另一方面,實(shí)際應(yīng)用中,往往并不需要細(xì)節(jié)如此豐富的模型,因此,需要將網(wǎng)格模型簡(jiǎn)化,減少網(wǎng)格中頂點(diǎn)和面片的數(shù)量,得到不同層次細(xì)節(jié)的一系列模型,這就是LOD(LevelOfDetails)技術(shù).第7頁/共38頁2.網(wǎng)格簡(jiǎn)化與LOD技術(shù)網(wǎng)格簡(jiǎn)化方法---頂點(diǎn)聚類(Vertexclustering)根據(jù)給定網(wǎng)格幾何上的相似性,將點(diǎn)聚類成簇,為每一個(gè)簇計(jì)算一個(gè)新點(diǎn).刪除這個(gè)簇,保留這個(gè)新點(diǎn).第8頁/共38頁2.網(wǎng)格簡(jiǎn)化與LOD技術(shù)網(wǎng)格簡(jiǎn)化方法---EdgeCollapse確定一條邊,將這條邊的兩個(gè)頂點(diǎn)合并為一個(gè),保留這個(gè)頂點(diǎn),從網(wǎng)格中刪除這條邊.GrayLines=MergingEdges=NewVertexBeforeCollapseAfterCollapse=CollapsingEdge第9頁/共38頁2.網(wǎng)格簡(jiǎn)化與LOD技術(shù)網(wǎng)格簡(jiǎn)化方法---Re-Tiling首先在網(wǎng)格曲面上撒上一些網(wǎng)格頂點(diǎn),這些頂點(diǎn)之間相互排斥平衡后,連接這些頂點(diǎn),得到新的網(wǎng)格曲面.由于新頂點(diǎn)數(shù)目比原頂點(diǎn)少,所以,新網(wǎng)格曲面是對(duì)原網(wǎng)格的簡(jiǎn)化.第10頁/共38頁2.網(wǎng)格簡(jiǎn)化與LOD技術(shù)LevelOfDetails(層次細(xì)節(jié)模型,簡(jiǎn)稱:LOD)LOD技術(shù)對(duì)原始網(wǎng)格模型建立幾個(gè)不同逼近精度的網(wǎng)格模型,與原始模型相比,每個(gè)模型均保留了一定層次的細(xì)節(jié).當(dāng)計(jì)算機(jī)生成場(chǎng)景時(shí),根據(jù)該物體位置與視點(diǎn)遠(yuǎn)近關(guān)系的不同,分別使用不同精細(xì)程度的模型,當(dāng)從近處觀察物體時(shí),使用較為精細(xì)的模型;當(dāng)從遠(yuǎn)處觀察物體時(shí),采用較為粗糙的模型.使用LOD模型,避免了不必要的計(jì)算,既能節(jié)約時(shí)間,又不會(huì)降低場(chǎng)景的逼真度,使計(jì)算效率大大提高.第11頁/共38頁2.網(wǎng)格簡(jiǎn)化與LOD技術(shù)ProgressiveMeshesWavelet12162624161681214251610-210-2第12頁/共38頁2.網(wǎng)格簡(jiǎn)化與LOD技術(shù)ProgressiveMeshes是LOD模型的一種有效生成方式.首先搜索平面區(qū)域和特征邊,然后使用邊收縮(EdgeCollapse)操作進(jìn)行模型簡(jiǎn)化.當(dāng)邊收縮產(chǎn)生一個(gè)新頂點(diǎn)時(shí),移去兩個(gè)面和一條邊,結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)簡(jiǎn)化的基網(wǎng)格和一系列頂點(diǎn)分裂操作(邊收縮的逆),可用于把細(xì)節(jié)添加到基網(wǎng)格上.使用這種累進(jìn)網(wǎng)格,可抽取多個(gè)連續(xù)的細(xì)節(jié)層次.第13頁/共38頁3.網(wǎng)格優(yōu)化與光順三角網(wǎng)格模型與LOD基本原理第14頁/共38頁3.網(wǎng)格優(yōu)化與光順從點(diǎn)云中重建得到網(wǎng)格曲面,并且經(jīng)過網(wǎng)格簡(jiǎn)化后,網(wǎng)格中往往存在大量細(xì)小或狹長的三角形.在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中,狹長三角形降低了渲染效果.因此,需要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化以提高網(wǎng)格的質(zhì)量.一個(gè)目標(biāo):消除網(wǎng)格中的狹長三角形.一個(gè)原則:最小角最大原則.第15頁/共38頁3.網(wǎng)格優(yōu)化與光順網(wǎng)格優(yōu)化基本操作---邊分裂對(duì)于網(wǎng)格邊e,邊分裂操作包括,插入邊的中點(diǎn)Pm,并調(diào)整Pm的位置.共享邊e的兩個(gè)三角面片,由四個(gè)新的三角面片所替代,同時(shí),生成四條新邊,和一個(gè)新頂點(diǎn).第16頁/共38頁3.網(wǎng)格優(yōu)化與光順網(wǎng)格優(yōu)化基本操作---邊消除(EdgeCollapse)邊消除操作,合并邊e的兩個(gè)頂點(diǎn)到一個(gè)新的頂點(diǎn)位置,刪除邊e的兩個(gè)相鄰面片,將新頂點(diǎn)與其相鄰頂點(diǎn)連接,以生成新的三角面片.第17頁/共38頁3.網(wǎng)格優(yōu)化與光順網(wǎng)格優(yōu)化基本操作---邊替換邊替換操作依照最小角最大原則進(jìn)行,享有邊e的兩個(gè)三角面片被替換為享有其對(duì)偶邊的兩個(gè)三角面片.第18頁/共38頁3.網(wǎng)格優(yōu)化與光順第19頁/共38頁3.網(wǎng)格優(yōu)化與光順利用濾波操作除去模型表面的噪聲;網(wǎng)格頂點(diǎn)之間的連接關(guān)系不變,網(wǎng)格頂點(diǎn)位置改變.第20頁/共38頁4.網(wǎng)格參數(shù)化及應(yīng)用三角網(wǎng)格模型與LOD基本原理第21頁/共38頁4.網(wǎng)格參數(shù)化及應(yīng)用空間網(wǎng)格點(diǎn)是由x,y,z三個(gè)坐標(biāo)值決定的,但是,空間三角網(wǎng)格是一個(gè)二維流形,因此,空間網(wǎng)格點(diǎn)在本質(zhì)上是由兩個(gè)參數(shù)值決定的.求空間網(wǎng)格點(diǎn)的兩個(gè)參數(shù)值就稱為網(wǎng)格參數(shù)化.對(duì)網(wǎng)格的處理,比如,重新網(wǎng)格化,紋理映射,以及網(wǎng)格擬合都需要網(wǎng)格參數(shù)化技術(shù).第22頁/共38頁4.網(wǎng)格參數(shù)化及應(yīng)用參數(shù)化中的幾個(gè)目標(biāo):保長度保角度變形最小第23頁/共38頁4.網(wǎng)格參數(shù)化及應(yīng)用各種不同的參數(shù)化方法選擇不同的權(quán)第24頁/共38頁4.網(wǎng)格參數(shù)化及應(yīng)用對(duì)于封閉的模型,先把模型分片,對(duì)每一片分別參數(shù)化第25頁/共38頁4.網(wǎng)格參數(shù)化及應(yīng)用網(wǎng)格參數(shù)化的應(yīng)用---紋理映射第26頁/共38頁4.網(wǎng)格參數(shù)化及應(yīng)用網(wǎng)格參數(shù)化的應(yīng)用---重新網(wǎng)格化第27頁/共38頁三角網(wǎng)格模型與LOD基本原理5.網(wǎng)格編輯第28頁/共38頁5.網(wǎng)格編輯網(wǎng)格編輯的任務(wù)是改變網(wǎng)格模型的幾何形狀第29頁/共38頁5.網(wǎng)格編輯在Bézier曲面的情況下,調(diào)整Bézier曲面的控制頂點(diǎn),就可以改變Bézier曲面的形狀.第30頁/共38頁5.網(wǎng)格編輯FreeFormDeformation(FFD)把網(wǎng)格模型嵌入到一個(gè)Bézier體中,調(diào)整Bézier體的控制頂點(diǎn),改變這個(gè)體,就可以編輯被嵌入網(wǎng)格模型的形狀.第31頁/共38頁5.網(wǎng)格編輯FreeFormDeformation(FFD)第32頁/共38頁5.網(wǎng)格編輯軸變形對(duì)于一個(gè)網(wǎng)格模型,首先定義一個(gè)軸,對(duì)這個(gè)軸進(jìn)行變形,網(wǎng)格模型隨之變形.第33頁/共38頁5.網(wǎng)格編輯骨架驅(qū)動(dòng)的變形類似于軸變形,首先定義骨架,然后編輯骨架