大规模复杂场景的加速绘制方法研究与实现

摘要

大规模三维复杂场景的交互式绘制在很多领域都有广泛的应用前景，如三维数字游戏、地理信息系统、科学计算可视化等。随着用户对图形绘制效果和速度的要求不断提高，三维场景的规模和复杂度的增长速度远快于图形硬件绘制能力的提高速度。在图形绘制软件上进行技术优化是加快大规模复杂场景绘制的有效方法。大规模复杂场景的加速绘制方法是当前图形学中比较重要的研究方向。 室外城市场景是建筑物之间相互遮挡的大规模复杂场景，对于此类高度遮挡场景，遮挡裁剪是最有效的加速绘制方法。本文研究和实现了基于GPU遮挡查询的连续层次化可见性计算方法。根据场景的内在结构特征对场景空间进行合理划分，构建场景的空间层次结构，以便快速鉴别一组不可见几何体，这是场景可见性计算的首要前提。在高遮挡场景中漫游时相邻帧之间视野变化范围较小，可以充分利用可见性的时空连续性来减少层次节点可见性的判断次数，同时利用该特征解决GPU遮挡查询所存在的CPU等待和GPU空闲问题，实现CPU与GPU的并行计算和负载平衡。实验证明，基于GPU的连续层次化可见性计算方法可以有效提高大规模复杂场景的绘制速度。 大规模复杂地形的实时绘制是图形学中的研究热点，是三维图形引擎中既基础又重要的组成部分。由高度图构建的地形模型中的三角形面片数目巨大，交互绘制地形模型的全部几何细节超出一般图形硬件的实时绘制能力。本文研究和实现了大规模复杂地形的多层次化绘制方法，融合了视点相关的多分辨率层次细节技术和基于地平线遮挡裁剪的层次化可见性计算方法，实现了对大规模复杂地形的实时加速绘制。研究和改进了基于GeoMipMaps的层次细节算法，对地形进行合理的块分割，构建地形的空间层次结构，根据视觉重要性原则实时为各地形块生成分辨率合适的细节模型。地形块层计细节的计算过程是简洁高效的，CPU耗费较低，获得的几何模型规模适中，使用三角形条带方式连接网格顶点，可充分利用图形渲染管线的绘制能力。本文研究和实现了基于地平线遮挡裁剪的层次化可见性计算方法，离线计算地形的全局层次化地平线遮挡图，在实时绘制时根据该遮挡图判断层次节点的可见性。实验证明，融合多分辨率层次细节技术和地平线遮挡裁剪技术的多层次化绘制方法可以实现对大规模复杂地形的实时加速绘制。 本文最后对大规模复杂场景加速绘制技术的发展方向进行了一些展望，并提出了一些在该领域值得进一步研究的方向。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究目的和意义

1.2国内外研究现状

1.3主要工作与创新

第二章大规模复杂场景加速绘制相关技术

2.1图形硬件的发展

2.1.1 GPU的发展过程

2.1.2 GPU的结构特点

2.2空间的层次结构

2.3可见性裁剪技术

2.3.1基本概念术语

2.3.2相关算法研究

2.4层次细节模型

2.4.1简化误差度量

2.4.2细节简化方法

2.4.3层次选择尺度

2.4.4层次间的过渡

2.4.5地形层次细节

2.5基于图像的绘制

2.6本章小结

第三章基于GPU的连续层次化可见性计算

3.1引言

3.2场景空间层次结构

3.3 GPU遮挡查询方法

3.3.1 GPU遮挡查询的优点

3.3.2 GPU遮挡查询的缺点

3.4层次节点的可见性判断

3.4.1层次节点的可见性分类

3.4.2层次节点的可见性判断

3.5连续性层次化裁剪算法

3.6虚拟城市漫游系统

3.7本章小结

第四章大规模复杂地形的多层次绘制方法

4.1地形高度图

4.2地形的空间层次结构

4.3地形的层次细节模型

4.3.1层次细节模型

4.3.2细节层次选择

4.3.3三角带状绘制

4.3.4消除块间裂缝

4.3.5层次间的过渡

4.4地形的遮挡裁剪方法

4.4.1地平线遮挡裁剪

4.4.2全局层次化遮挡图

4.4.3地形块可见性判断

4.5虚拟地形漫游系统

4.5.1总体处理流程

4.5.2系统静态类图

4.5.3实验结果分析

4.6本章小结

第五章总结与展望

5.1本文总结

5.2研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果