點(diǎn)云模型表面重建及實(shí)時(shí)繪制方法研究.pdf

1、隨著信息獲取技術(shù)的不斷發(fā)展，在數(shù)字博物館、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、虛擬戰(zhàn)場(chǎng)、虛擬手術(shù)、游戲等領(lǐng)域獲取大規(guī)模的高分辨率空間數(shù)據(jù)成為可能。但由于存儲(chǔ)和計(jì)算能力的限制，這些大規(guī)模高分辨率數(shù)據(jù)難以進(jìn)行處理。即使GPU的快速發(fā)展，在一定程度上解決了快速繪制的問(wèn)題，但由于其內(nèi)存等因素的限制，對(duì)于幾個(gè)G、幾個(gè)T數(shù)據(jù)的大規(guī)模三維數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，也是望塵莫及。因此，如何快速建模和實(shí)時(shí)繪制大規(guī)模復(fù)雜模型，成為目前圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題之一。 本

2、文針對(duì)大規(guī)模點(diǎn)云數(shù)據(jù)，研究高效的建模方法，并為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制，研究了基于簡(jiǎn)化網(wǎng)格模型的優(yōu)化繪制方法，主要包括：大規(guī)模點(diǎn)云數(shù)據(jù)的表面重建流處理方法，網(wǎng)格模型的輪廓平滑方法和非真實(shí)感繪制技術(shù)。 歸納起來(lái)，本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)與貢獻(xiàn)如下： 1.提出了一種基于流處理的大規(guī)模點(diǎn)云數(shù)據(jù)表面重建方法 為了克服內(nèi)存限制，對(duì)大規(guī)模點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行表面重建，本文基于輸入數(shù)據(jù)空間連貫性，提出一種流處理表面重建方法。本方法通過(guò)三次讀取

3、數(shù)據(jù)流，主要利用k-近鄰表面重建的局部特性，通過(guò)空間八叉樹(shù)進(jìn)行全局法向映射，確定物體表面法線(xiàn)方向，并以此為基礎(chǔ)，過(guò)濾掉不屬于當(dāng)前表面上的鄰近點(diǎn)，以更好逼近局部表面，并對(duì)不同層面上的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步表面構(gòu)建。該方法不需要對(duì)輸入數(shù)據(jù)做預(yù)處理；具有線(xiàn)性時(shí)間復(fù)雜度；可在保證重建質(zhì)量的同時(shí)，盡量減少內(nèi)存的使用；并可通過(guò)對(duì)幾個(gè)輸入?yún)?shù)的分析，預(yù)估測(cè)最大內(nèi)存需求量。 2.提出了一種基于網(wǎng)格模型的實(shí)時(shí)輪廓平滑和繪制方法 為了提高大規(guī)模場(chǎng)景交

4、互和顯示的實(shí)時(shí)性，往往需要使用簡(jiǎn)化網(wǎng)格模型作為輸入，但是簡(jiǎn)化模型繪制出的輪廓往往存在不平滑現(xiàn)象，影響視覺(jué)效果。為此，本文提出一種基于視點(diǎn)的輪廓平滑和實(shí)時(shí)繪制方法，可在保證速度的同時(shí)，滿(mǎn)足人的視覺(jué)對(duì)物體輪廓平滑度和連貫性的需求。該方法首先給出了網(wǎng)格模型的精確輪廓的定義，提出了輪廓三角形的概念。并以此為基礎(chǔ)，提出了網(wǎng)格模型上精確輪廓的簡(jiǎn)單計(jì)算方法，可對(duì)物體輪廓和特征線(xiàn)進(jìn)行一致性處理，且做到繪制質(zhì)量與視點(diǎn)移動(dòng)無(wú)關(guān)。并通過(guò)基于高斯球的輪廓三角形

5、的快速判斷、輪廓線(xiàn)的自適應(yīng)繪制和GPU并行計(jì)算，對(duì)算法進(jìn)行了加速，大大降低了平滑輪廓的計(jì)算復(fù)雜性，在提高繪制效果的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)繪制。 3.提出了一種基于網(wǎng)格模型的實(shí)時(shí)非真實(shí)感繪制方法 在上面提出的輪廓平滑方法的基礎(chǔ)上，提出一種基于網(wǎng)格模型的實(shí)時(shí)非真實(shí)感繪制方法，通過(guò)多種風(fēng)格來(lái)凸顯物體特征，滿(mǎn)足不同展示需求。該方法主要通過(guò)隨機(jī)檢測(cè)輪廓三角形來(lái)快速生成連貫的平滑輪廓線(xiàn)，然后根據(jù)曲率變化將此平滑輪廓線(xiàn)分割成多條基礎(chǔ)筆畫(huà)，再

6、根據(jù)光照、視線(xiàn)方向以及曲率來(lái)調(diào)整這些基礎(chǔ)筆畫(huà)的寬度，最后使用不同的筆畫(huà)紋理應(yīng)用到這些具有一定寬度的筆畫(huà)上，生成具有不同風(fēng)格效果的輪廓線(xiàn)。同時(shí)，可通過(guò)使用GPU和二維卡通紋理生成高質(zhì)量?jī)?nèi)部卡通光照效果。 上述研究工作可以廣泛應(yīng)用于大數(shù)據(jù)量對(duì)象的處理和大規(guī)模場(chǎng)景的顯示過(guò)程中，具有重要的理論意義和推廣應(yīng)用價(jià)值。在上述工作的基礎(chǔ)上，下一步擬主要結(jié)合紋理信息對(duì)基于網(wǎng)格模型的實(shí)時(shí)繪制方法進(jìn)行改進(jìn)，并進(jìn)一步擴(kuò)充特征線(xiàn)風(fēng)格化方法，進(jìn)一步提高模型