3D模型LOD算法的研究及其OpenGL实现.pdf

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1、第2 5 卷第1 0 期计算机工程与设计2 0 0 4 年1 0 月V 0 1 2 5N o10C O M P U T E RE N G I N E E R I N GA N DD E S I G NO c t2 0 0 4文章编号：1 0 0 0 7 0 2 4(2 0 0 4)1 0-1 7 9 0 0 2中图分类号：T P 3 9 30 4文献标识码：A3 D 模型L O D 算法的研究及其O p e n G L 实现张宛方。2(1 中国科学院研究生院，北京1 0 0 0 3 9；苏鸿根22 中国科学院软件研究所，北京1 0 0 0 8 0)摘要：3 D 模型L O D 技术是计算机图形

2、学的一个重要研究课题，简述了3 D 模型L O D 技术的基本原理并分析和探讨了各粪L O D 算法。为了克服L O D 算法在使用中的局限性，提出了一种3 D 模型L O D 算法，并通过O p e n G L 编程进行了实现，运行的结果表明此3 D 模型L O D 算法是可行和高效的。关键词：3 D 模型；三角形网格；层次细节显示和简化几何形状过渡R e s e a r c h0 1 3L O Da l g o r i t h mo f3 一Dm o d e l sa n di t si m p l e m e n t a t i o nw i t ho p e n G LZ H A N

3、GW a n f a n 9 1”，S UH o n g-g e n 2(1G r a d u a t e S c h o o l o f C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s，B e l l i n g1 0 0 0 3 9，C h m a；2 I n s t i t u t e o f S o f t w a r e,C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s。B e O m g1 0 0 0 8 0，C h m a)A b s t r a c t：3-D m o d e l L

4、O D t e c h n o l o g y i sac o m p u t e r g r a p h i c s i m p o r t a n tr e s e a r c h t o p i cT h eb a s i c p r i n c i p l e o f 3-D m o d e l L O D t e c h n o l o g yi ss u m m a r i z e dE a c hk i n do f L O Da l g o r i t h mi sp r e s e n t e dI no r d e rt oo v e r c o m et h eL O D

5、a l g o r i t h mi nt h eu s el i m i t a t i o n，o n ek i n do f 3 一Dm o d e lL O Da l g o r i t h mi sp r o p o s e da n di t si m p M m e n t a t i o nw i t ho p e n G La l s oi sd e t a i l e dT h ei m p l e m e n t a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h i s3-Dm O d e lL O Da l g o r i t h mi

6、sf e a s i b l ea n dh i g h l ye f f e c t i v eK e yw o r d s：3-Dm o d e l；t r i a n g u l a rm e s h；L O D；g e o m o r p h s一物体很近时，它的图像将在屏幕上占据较多的像素，而当视点距离它很远时，图像只能在屏幕上占据很少的像素。在在研制较大规模的可视化模拟系统时，由于三维场景这种情况下，用大量的多边形或三角面片去精确表示该物中的模型比较多而且模型比较复杂，如果内存容量无法满体是不必要的，可以用多种不同的精度表示，并根据视点位足，则不得不牺牲时间进行存储交换。为了获得理

7、想的视置的变化或者物体图像在屏幕上所占据的像素数多少而选觉效果和计算机处理速度，需要使用一定的技术对场景中择不同精度的模型予以成像，这是非常有效的手段。如图1的模型进行有效的管理。常用的技术有单元分割法、L O D所示，用4 种不同数目的顶点表示一个兔子。技术以及内存管理技术等。这种方法通常称为层次细节(1 e v e l o f d e t a i l s，缩写L O D)我们知道，在场景的实时动态显示中，当视点距离某一显示和简化技术。这技术通过动态地确定阀值来选取不同精度的L O D 模型，降低场景复杂度，以求得更合适的图像质量和提高系统运行的实时性。观村l 十疆j2 柏2 十一n2 5

8、1 十疆矗暂 矗图1根据距离选取不同精度的L O D 模型2L O D 算法介绍构造一个物体的多种不同细节层次模型也是非常复杂的，由于常用软件所构造的物体模型或者用科学计算可视化技术产生的模型往往是比较精确的复杂模型。复杂模型的简化技术可以分为两类。(1)一类是几何简化。例如，让多个相邻的共面或几乎共面的三角形合并为一个多边形、将一个厚度很小的六面体用一个两面均可见的平面片来代替等。有的几何简化算法可以保持简化结果在拓扑结构上的一致性，有的则不能，收藕日期：2 0 0 3 1 0-2 6。作者简介：张宛方(1 9 6 5 一)男，硕士研究生，研究方向为网络多媒体传输等：苏鸿根，男，研究员，教授

9、，研究方向为计算机图形学及C A D多媒体技术等。一1 7 9 0 万方数据并允许在简化结果中存在着非正则形体。在预处理中，生成复杂模型的多精度表示，尽管可以提高动态显示的实时性，但是需要更多的存储空闻，并在不同细节层次阃切换还会引起视觉上的突跳感。(2)另一类方法是通过变换技术来实现复杂模型的简化。当前的。个热点是采用小波变换来得到几何模型的多精度表示，其优点是能在简化的模型中较好地保持原模型的局部特征。但是，并非任意形状的复杂模型都能应用小波变换技术予以简化，小波变换技术只是应用于那些可以用层次结构来表示的模型。为了在实际应用中绘制方便，三维场景最后一般都被转化为三角形网格，从网格及拓扑特

10、性出发，存在着3 种不同基本化简操作，如图2 所示。锊衬爵鼯(A)J 页点删除操作(B)边压缩操作图2 层次细节模型化简的基本操作顶点删除操作：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做三角剖分，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退化(面积为零)，而它的两个顶点融合为个新的顶点；面片收缩操作：把网格上的一个面片收缩为个顶点，该三角形本身和与其相邻的3 个三角形都退化，而它的3 个顶点收缩为一个新的顶点。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，用这个误差代替计算方法来计算原始网格上的每一个基本元素的误差作

11、为权值，插入到+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，我们选取队首权值最小的操作进行执行，然后更新变化的网格信息，并重新计算改变后的网格基本元素的误差并插入到队列中，再开始下一个循环，直到队列的最小误差达到用户设定的闽值或者用户希望的化简网格数目已经达到。层次细节简化技术的研究主要集中在以下两个方面：建立不同层次细节的几何模型，对任意给定的复杂多边形网格M，由精细至粗糙建立一个模型序列：从M 0，M，M。，其中M o=M与原模型相比，每个模型均保留了一定层次的细节。当从近处观察物体时，我们采用精细模型体时，则采用较为粗糙的模型。建立相邻层次多边形同格埘，缸

12、何形状过渡：而当从远处观察物(o I t i m e)；s l e e p(I N T E R V A L)；e l s e c l o s e(s o c k)；s l e e p(5)；+如果联接失败，5 秒钟后重新联接+)这两个程序采用了每次对话都联接。次的方式。如果s o c k e t 一方不工作，主机一方只是阻塞在a c e p t 0 上。如果主机一方不工作，c o n n e c t()将失败，会等待5 秒钟后重新联接，程序简单而可靠。5 主备机的切换控制双机通讯程序只负责将双机的状态信息传送到对方系统的切换应由主控程序决定。当系统停止运行时主控程序发信号通知双机通讯子进程终止

13、。每台服务器上的主控程序应当可以自由启停，首先运行者成为主机，后运行者与主机通信成功后成为备机，各机在自身状态正常且从主机传送来的状态信息存在异常的情况下转为主机运行，可通过状态数据通知对方并获得确认后完成切换。在与主机通讯完全中断时，是切换还是报警需要根据应用的具体情况而设计。此外管理人员应该可以通过图形界面或命令行控制主备机的切换。服务器状态可以由其它进程监测，结果填入本机状态结构中，控制程序根据这些数据决定是否需要切换或报警，也可以利用服务器供应商提供的系统监测程序。6 结语需要采用热切换双机系统的应用是很多的，在许多情况下不需要使用磁盘阵列，因为硬盘容量已很大，可靠性也很高。还有一些不

14、适合采用磁盘阵列的情况，这时都需要自己开发双机通讯与控制程序。由于这些程序由应用系统的开发者设计，程序间可以有很精确的配合，更容易取得好的效果。参考文献：【1】刘晓风基于s o c k e t 的双机系统控制程序设计【J 计算机工程，2 0 0 2，2 8(1)：2 0 6 2 0 7【2】U N I X V 第4 版程序员指南：网络界面 M 北京：电子工业出版社，1 9 9 2 3】U N I XV 第4 版程序员指南：系统服务和应用软件打包工具 M 北京：电子工业出版社，1 9 9 2 4 U N I X 技术大全：系统管理员卷【M 北京：机械工业出版社，1 9 9 8(上接第1 7 9

15、1 页)囤4 程序截图2在程序截圈1 中，右边为原始模型，一共有5 5 1 个三角形，左边是删减后的模型，有3 3 2 个三角形，尽管三角形数量减少了4 0，但形体仍保持较好。在程序截图2 中，左边模型的三角形数量只有1 8 0，减少了6 7，这可以清楚地从右侧的网格显示图中看出来，但当距离很远时，很难区分两者的差别。一1 7 9 6 4 结束语本文在分析、探讨各类L O D 算法的基础上，提出了一种基于夹角最小且公共边最短的原则来合并两个三角形，使3 D 模型的层次细节显示得以简化，然后采用O p e n G L 编程实现了这个L O D 算法。参考文献：【1】A l a nW a t t3

16、 Dc o m p u t e rg r a p h i c s【M 2 n dE d i t i o n，A d d i s o n W e s l e y,1 9 9 3【2】K e n tJR，C a r l s o nWE，P a r e n tRES h a p et r a n s f o r m a t i o nf o rp o l y g o n a lo b j e c t s Z C o m p u t e rG r a p h i c s【3】B a r z e lR，B a r r lAH Am o d e l i n gs y s t e mb a s e do n

17、d y n a m i cc o n-s t r a i n s C A C MS I G G R A P H 8 8C o n f e r e n c eP r o c e d d i n g s 1 9 8 8【4】苏鸿根三维计算机图形学和O p e n G L F o r W i n d o w s 编程【M】北京：中国科学院研究生院出版社，1 9 9 8 2 0 0 2【5】陈鹏浅谈层次细节显示和简化技术f E B O L】2 0 0 1 h 印：v i p6 t 0 2 6 3 c o r n 万方数据3D模型LOD算法的研究及其OpenGL实现3D模型LOD算法的研究及其OpenG

18、L实现作者：张宛方，苏鸿根作者单位：张宛方(中国科学院,研究生院,北京,100039;中国科学院,软件研究所,北京,100080)，苏鸿根(中国科学院,软件研究所,北京,100080)刊名：计算机工程与设计英文刊名：COMPUTER ENGINEERING AND DESIGN年，卷(期)：2004，25(10)引用次数：10次 参考文献(5条)参考文献(5条)1.ALAN WATT 3D computer graphics 19932.Kent J R.Carlson W E.Parent R E Shape transformation for polygonal objects3.Bar

19、zel R.Barrl A H A modeling system based on dynamic constrains 19884.苏鸿根 三维计算机图形学和OpenGL For Windows编程 19985.陈鹏 浅谈层次细节显示和简化技术 2001 相似文献(6条)相似文献(6条)1.学位论文 石振锋 一种新的子分曲面生成算法的研究及其应用 2002 该文首先介绍了几种常见的子分曲面生成技术和目前的研究现状,并深入地分析了这几种子分方案的优缺点.然后,我们提出了一种在三角形网格拓扑结构上的基于法向量控制的子分曲面生成算法.它对网格中的三角形逐个进行子分,对将要进行子分的三角形的每条边

20、,首先计算线段的中点,然后利用线段两个端点处的法向量进行插值得到中点处的法向量,最后将中点沿着该法向量进行一定的偏移就可以得到新的插值生成的顶点.一次子分计算结束后,每一个三角形都将被子分成四个更小的三角形.递归地执行子分计算,就可以得到光滑的极限曲面.该算法具有拓扑一般性、支集最小、几何对称、保形和保 凸、自适应性、易于模型的交互控制和生成、适合于三维场景的实时应用等特点.同时,我们也进行了基于法向量控制的自适应子分生成技术的研究,提出了视点独立和视点关联的自适应子分生成算法.该算法在不影响极限曲面的可视光滑效果的同时大大地减少了网格模型子分后生成的三角形数目.最后我们还研究了该算法在LOD

21、、实时三维虚拟场景浏览、3D模型的数据压缩和传输等中的一些应用.结合RTG 3D开发工具包和VBML 3D浏览器,我们实时地实现了静态的子分曲面生成算法和视点关联的自适应子分算法,实时的仿真表明我们的算法是切实可行的,适合于实时的三维图形的生成和三维场景的快速渲染等应用.2.期刊论文 周莉.苏鸿根.ZHOU Li.SU Hong-gen 通用3D模型文件格式和算法的研究及其OpenGL实现-计算机工程与设计2009,30(2)在探讨计算机图形学的几何造型理论基础上,提出了一种通用的3D模型文件格式(G3D).这种采用流形三角形网格的3D模型在数学形式上是合式的,这种3D文件格式是开放的,具有可

22、扩展性和连续的LOD能力,进一步可作交互显示、基于刚体的动画和CPM传输.然后,分析了几种典型的LOD算法,并采用OpenGL的图素构造法和交互式动画编程加以实现.最后,还探讨了CPM压缩格式定义.对自定义的三维电子文档处理、重用三维内容、Web上可视化等应用研究有很好的参考价值.3.学位论文 宋栋 应用于3D-IC的有限元网格划分研究 2009 三维集成电路(Three Dimensional Integrated Circuits，3D-IC)由于结构复杂，在设计过程中必须考虑其寄生参数、热场分布、电流密度分布等因素的影响，而与3D-IC相配套的EDA(Electronic Design

23、Automation)软件还没有正式形成，因此，开展应用于3D-IC的EDA相关软件的研究具有重要意义。本论文在与美国硅谷某IC设计公司的合作下，编制了应用于3D-IC的有限元网格划分软件MeshforIC，对建立好的3D-IC模型进行网格划分，将网格信息以数据文件格式保存并调入有限元程序。该软件加入载荷信息后可进行3D-IC的热场分析、电流密度分布等有限元数值模拟分析与计算。首先，针对3D-IC的特殊结构，论文提出了混合网格划分的方法。该方法在载入或建立模型后能划分出满足Delaunay准则的三角形网格和疏密得当的自适应四边形网格。将3D模型简化为2D模型的堆叠，从而大大减少了网格数量、减轻

24、了划分难度。此外，论文还优化了网格节点与单元编号，增加了网格质量判断和网格光顺功能以满足其计算精度上的要求。其次，论文采用基于面向对象的C+语言、以Visual C+6.0为平台进行软件的开发。根据实现功能的不同，论文将软件分为若干个模块，各模块单独实现并提供良好的接口。不仅达到了“高内聚、低耦合”的要求还增加了软件的扩展性、降低了编程难度。再次，论文设计了一款三维结构带通滤波器用来验证软件的可行性与实际应用价值。将滤波器模型简化后进行混合网格划分，用有限元程序模拟其热场分布以及电流密度分布，并用HFSS软件仿真其S参数，仿真结果与实测结果相一致。论文最后对网格划分方法进行了总结并对目前研究最

25、多的并行化和智能化网格划分进行了展望。关键词：3D-IC；有限元网格划分；面向对象编程；Delaunay算法；带通滤波器4.期刊论文 邹建成.邓欢军.高国梅 一种三角形网格模型数字水印算法-计算机研究与发展2009,46(z1)随着3D模型技术的发展,3D模型的版权保护问题越来越被重视.提出了一种基于三角域上V系统的3D网格模型数字水印算法.该算法首先将模型上的顶点到模型中心的距离进行三角域上的一次V变换,然后对变换后的系数进行量化来嵌入水印.由于该距离是一种全局几何特征,且算法将足够多的比特水印信息分布到模型各处,从而使得该水印方案具有一定的鲁棒性.实验结果表明该算法能够抵抗一般的平移、旋转

26、等类型的攻击和随机噪声攻击.5.期刊论文 喻志强.叶豪盛.赵荣椿.梁爽.夏晓清 稳健的三角形网格数字水印技术-计算机应用2002,22(9)文中提出了一种基于三角形网格的3D数字水印算法,该算法通过修改从中心到顶点的距离来嵌入水印信息.由于该距离是一种全局几何特征,在模型视觉效果不发生改变的情况下基本独立于三维模型的网格表示,从而使该水印方案对噪声攻击、简化攻击和剪切攻击等攻击具有很强的鲁棒性.实验结果表明该方法对上述攻击具有很好的抗击性能.6.会议论文 邹建成.邓欢军.高国梅 一种三角形网格模型数字水印算法 2009 随着3D模型技术的发展，3D模型的版权保护问题越来越被重视.提出了一种基于

27、三角域上V系统的3D网格模型数字水印算法.该算法首先将模型上的顶点到模型中心的距离进行三角域上的一次V变换，然后对变换后的系数进行量化来嵌入水印.由于该距离是一种全局几何特征，且算法将足够多的比特水印信息分布到模型各处，从而使得该水印方案具有一定的鲁棒性.实验结果表明该算法能够抵抗一般的平移、旋转等类型的攻击和随机噪声攻击.引证文献(10条)引证文献(10条)1.曾维.韩占校.朱学芳 LOD算法在3D地表模拟中的应用研究期刊论文-系统仿真学报 2009(1)2.周莉.苏鸿根 通用3D模型文件格式和算法的研究及其OpenGL实现期刊论文-计算机工程与设计 2009(2)3.苏洲.李传良 基于面片

28、收缩操作LOD方法的应用研究期刊论文-计算机工程与设计 2008(08)4.曾照华.张永梅 基于OpenGL的三维人脸标准模型期刊论文-机械工程与自动化 2007(04)5.李竹林.孟晓红.张洪香.赵宗涛 基于LOD建模的视景仿真生成技术研究期刊论文-计算机技术与发展 2006(02)6.杨劲松.苏鸿根 关于三维网格压缩和渐进传输问题的几点探讨期刊论文-计算机工程与设计 2006(22)7.乔淑娟 基于GIS的城市地下管网空间数据模型及其可视化研究学位论文硕士 20068.乔淑娟 基于GIS的城市地下管网空间数据模型及其可视化研究学位论文硕士 20069.张星.刘翔 三维复杂模型多精度表示的生成技术的研究期刊论文-电脑知识与技术（学术交流）2005(12)10.王涛 三维GIS中的动态目标表示及其可视化学位论文硕士 2005 本文链接：http:/