网格模型多细节层次技术的研究及应用

摘要

在虚拟现实中，随着场景复杂性的增加，绘制的图像质量要求也越来越高，导致了绘制速度也越来越慢，从而形成了—对矛盾。而实时绘制是虚拟现实系统的—项基本要求，多细节层次(Levels of Detail，LOD)技术就是解决场景复杂度和绘制速度之间矛盾的一种有效手段，该技术对同一物体的不同部分或同一场景的不同物体，使用不同细节层次的描述方法，在保证一定图像质量或几何精度的情况下，尽量减少绘制/存储/传输或其它后续处理的多边形数量。 虚拟制造是虚拟现实的一个具体应用，同样要解决场景的复杂度与处理速度的矛盾，但虚拟制造中的模型一般是CAD模型，有其自身的特点，现有的细节层次生成算法往往无法直接用于虚拟制造。本文对细节层次模型的生成和绘制技术进行了研究，提出了自己的算法，并将其用于CAD、CAM领域。 首先，针对现有三轴数控加工仿真的缺点，提出了自适应三角片法。自适应三角片法派生自Lindstrom算法，Lindstrom算法是规则网格模型的生成算法，能高效动态生成所需的层次模型，但其执行效率可以进一步提高，本文首先针对其不足，给出了改进算法。在此基础上，分别采用四叉树和二叉树提出了两种完全不同的自适应三角片数控加工仿真算法，实现了三角片密度和数量的自适应控制。自适应三角片法自动根据加工面的起伏情况动态调整三角片的密度和大小，大幅度减少三角片总数，从而大幅度提高加工仿真的效率，不但图像的显示质量几乎不受影响，而且仿真过程中也可以对模型进行平移/旋转和缩放等操作。在进行加工误差测量/过切/欠切和干涉检查时，直接使用内存中的全分辨率模型，保证了测量与检查的准确性和可靠性。 其次，机械CAD模型的关键特征是十分重要的设计语义，但大部分算法在对模型进行大幅度简化后，往往会造成关键特征的丧失。为了克服这一缺点，提出了一种具有良好特征保持特性的细节层次生成方法，通过顶点的不平度和半边折叠后三角形的变形误差来指导网格的简化。另外，提出了三角形网格模型顶点曲率的近似求解公式，利用曲率能很好反映关键特征这一特点，建立基于曲率和边折叠的细节层次模型生成方法，该简化算法也能很好保持模型的关键特征。 另外，很多应用场合都需要在网络上传输模型，并要保证信息的安全，本文提出了一种有效的递进网格传输框架，依赖递进网格，通过模型的多细节层次结构树，能自动根据带宽和用户需求传输最合适分辨率的模型，最大限度减少要传输的数据量，并且模型的分辨率可以根据需要随意调节。结合Christopher的角色包裹浏览的方法，还可以保证协同设计中的信息安全，降低多组织协作环境中重要资料外泄的风险。