基于双重约束的三维场景lod模型的选择调用方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于双重约束的三维场景LOD模型的选择调用方法，包括：A.进入三维场景；B.获取用户视点坐标以及三维场景中当前物体的中心坐标；C.计算视距，判断当前物体是否在用户视野范围内；D.计算三维模型的用户兴趣度值及调用用户所需的当前物体模型的层次序号；E.结合距离约束条件选择调用用户所需的当前物体的层次细节模型；F.对选用的模型进行渲染绘制；G.判断是否遍历三维场景中的所有物体。本发明能够基于兴趣度和距离进行LOD模型的选择调用，满足了用户对于高兴趣度物体高图像质量需求的同时，对用户低兴趣度的物体进行淡化处理，在满足人基本视觉需求的前提下提高系统的渲染速率。
【专利说明】基于双重约束的三维场景LOD模型的选择调用方法【技术领域】
[0001]本发明涉及计算机【技术领域】，特别是一种三维场景中LOD模型的选择调用方法。背景技 术
[0002]在较大规模的三维应用系统中，解决复杂场景的真实感和实时绘制之间的矛盾一直是计算机图形学领域的难点课题，为了获得较高质量的更真实的视觉效果，往往对模型的细节程度要求比较高，所以模型会比较复杂，这样势必会发生内存容量无法满足而不得不牺牲时间进行存储交换的情况。为了获得理想的视觉效果和计算机处理速度，就需要使用一定的技术对场景中的模型进行有效的管理，以达到场景的真实感和实时绘制的协调与平衡。遮挡裁剪技术和细节层次技术(Level of Detail，简称LOD技术)是两种有效的三维复杂场景渲染加速技术。
[0003]LOD技术首先由Clark于1976年提出，该技术的主要思想是:为场景中的同一个物体构造成多个模型，各个模型之间的区别在于细节描述程度的不同，用这些具有多层次结构的物体集合描述一个场景。根据人的视觉特点，对于离视点不同距离或具有不同重要性的物体选择调用不同细节层次的模型。
[0004]20世纪90年代初，虚拟现实和三维可视化等众多新的研究领域兴起，并且对图形的生成速度有了越来越高的要求，然而当时的计算机性能不能满足三维复杂场景实时绘制的需要，因此，许多学者在图形绘制的加速方法上展开研究。针对场景中图像实时显示的问题，学术界掀起了网格简化方法研究的高潮。
[0005]1991年，DeHaemer采用自适应递归方法，提出了简化多边形网格的方法，该方法的主要思想是用基于规则四边形网格来表示物体的模型。1992年，Schroder提出了一种基于顶点移去的网格简化算法。1993年，Hoppe提出了一种基于网格匹配过程和网格简化过程的整体网格优化方法。1994年，Hamann提出了一种基于三角形移去的模型简化方法。1995年，Eck提出利用小波变换将多面体模型表示为多分辨率的形式来生成一系列连续的层次细节模型。1996年，Hoppe在网格优化方法基础之上，提出了采用递进网格来表示模型的简化算法。1997年Garland提出使用二次误差度量来控制网格的简化，这种方法可以快速的生成高质量的近似模型。以上是国外学者的一些研究成果介绍，近几年，国内的不少学者也针对LOD技术展开了一些卓有成效的研究工作。
[0006]2006年，全红艳等人提出了一种基于区域分割的几何模型简化算法，通过对各个区域按照三角形数目的比例进行简化，在保持模型细节特征的基础上，加快了模型简化的速度。2009年，卢威等人提出了一种基于二次误差测度(QEM)的网格简化算法，该算法利用半边折叠操作对QEM算法进行了改进，解决了非连续外观属性在简化过程中的畸变问题。2010年，闻涛等人提出了一种基于三角形删除的简化算法，该算法通过计算三角形网格的权重及根据设定的权重差值比例来删除模型相应的三角形网格区域，最后再对删除三角网格后的区域进行重建。腾书娟提出了一种保持视觉特征的LOD模型简化算法，该算法引入顶点曲度特征因子和限制狭长三角形的生成方法，保持了模型的几何特征，并通过标记色差明显的三角形，保持了模型的纹理特征。王芳根据三角面顶点法向量重要程度的不同，提出了一种二次误差测度边折叠算法。该算法通过对三角面顶点法向量重要度的控制，使得重要度大的顶点关联边不被折叠，不仅减少了运算量，而且保证了简化后的模型表面光滑平顺。孔垂柳采用用户兴趣区域编码(ROI)思想，并结合边收缩算法，实现了对用户兴趣区域以外的其它区域进行简化，只对用户兴趣区域内的局部模型保持高分辨率，保证了连续多分辨率模型的重建。
[0007]Macie首次提出了基于Impostor技术的绘制方法，中国的学者将LOD技术和Impostor技术相结合,提出了 LOD-1mpostor技术。在实际的调用过程中，当物体离视点足够远或物体图像不重要时，我们可以使用Impostor技术把模型渲染成一张二维贴图来代替物体的模型，通常为提高渲染的速度问题我们一般采用预生成的二维贴图，这样在一定程度上提高了场景的渲染速率。
[0008]三维应用场景中，LOD技术是根据物体图像的重要程度不同来选择调用不同分辨率的模型，对于图像重要性低的物体用该物体的低精度模型进行绘制，以节省绘制时间，反之，对于重要性高的物体则用该物体的高精度模型进行绘制，以保证用户的视觉效果。然而衡量用户的视觉效果又是一个很复杂的问题，目前还没有一种权威的计算方法来衡量用户视觉效果。
[0009]对于物体图像重要程度的衡量学者做过较为详细的研究，影响图像重要程度的因素，也可以看做是选择调用LOD模型的条件参数，目前可以归结为以下几种条件。
[0010](I)距离:根据人眼睛的视网膜成像原理，总是看近处的物体清晰，看远处的物体变的模糊，所以在三维场景中，当物体距离视点较近的时候就需要调用高精度的模型进行绘制，这样才能达到较好的视觉效果，反之，对于离视点较远的物体就可以调用低精度的模型进行绘制，因为超出人眼可分辨的距离后，即使模型的精度再高，在用户看来和低精度模型的视觉效果是没有差别的。在实际调用中，可以预先设定一组距离阈值，然后通过实时的比较物体离视点的距离来调用不同精度的模型。
[0011](2)屏幕投影面积:面积指的是物体的图像在屏幕上投影所占的面积，物体图像投影面积越大，则对图像效果的贡献就越大，所以一般要用高精度的模型绘制，反之投影面积小的就用低精度的模型代替。屏幕投影面积通常是用其多边形所占像素的总数来计算，也可以用图像与视点的距离来计算。
[0012](3)视角:根据人眼睛的成像原理可以得到，人的眼睛看东西时会存在一个可视范围，超过这个范围看物体就会变的模糊，这个范围所形成的角度称为视角。视角决定了可视目标的大小以及清晰程度，直接影响用户的视觉效果。视角与视距成反比，视角越大，绘制时选用的模型精度就越高。
[0013](4)光照:灯光照射在物体模型上会存在反射，一般是模型的亮度越高，人眼看到的物体越清晰，亮度越低，看到的图像越模糊，由此可以依据物体表面反射光的强度来调用LOD模型，模型上亮度越高，就用越高精度的模型进行绘制。
[0014](5)相对运动:现实生活中，人坐在行驶的车上，总是感觉离自己越近的物体向后倒退的速率越快，离自己较远的物体运动相对较慢，而对于更远处的物体感觉几乎不动。物体的运动速率越快，人眼看到的景象越模糊，反之越清晰，因此，可以依据物体的相对运行速率来选择调用不同精度模型，对于运行速率较快的物体选择高精度模型绘制。[0015]以上这些条件因素都是从人的视觉特性也可以说是生理感觉出发，没有考虑到人的主观心里感受，忽略了用户对于不同物体可能具有不同的兴趣爱好程度，因此不能很好的满足人心理上的需要。
[0016]国外学者Chan通过观察记录用户对于网页中超链接的选择情况，分别找出了用户感兴趣和不感兴趣的网页，并将其作为实验样本，之后计算单字之间的期望值信息，并挑选出期望信息较大的250个单字来构成用户模型。Lieberman提出用户感兴趣程度可以用不同权重值来表示，用户感兴趣程度越高设置的权重越大，反之越小。Morita和Shinoda提出，用户对页面的浏览时间可以体现出用户的感兴趣程度，从而可以获取用户感兴趣的信息，他们设计了一套不影响用户浏览行为的系统来获取用户对页面的浏览时间，由此判断用户对哪些页面感兴趣。我国杨元生和林鸿飞将文本段落作为辨别用户兴趣的基本要素，以聚类分析为基础，通过考察段落、特征项和类别的表达能力来构建用户兴趣模型；根据计算出的与文本的相匹配程度，把满足条件的文本推荐给用户，并利用相关的反馈信息，追踪和更新用户兴趣模型，从而提高个性化服务的效率。孙铁利提出通过获取用户的隐式反馈信息来建立和更新用户兴趣模型，这种方法只需要通过观察记录用户浏览Web页面时的行为动作来获得用户的隐式反馈信息，而不需要用户直接显式的提供兴趣信息；根据隐式反馈信息来建立和更新用户兴趣模型，可以减轻用户的负担。朱征宇提出采用加权关键字矢量来表示用户兴趣模型，通过对用户浏览的页面进行聚类分析，对用户的浏览行为进行回归分析建立用户兴趣模型，此模型能够较好的反映用户的兴趣类型，提高了个性化服务的效率。
[0017]上述对用户兴趣模型的研究均是基于二维互联网，而在三维互联网络中的应用研究还相对较少，更加没有形成一个完整的技术体系，还有许多关键问题尚待解决。
【发明内容】
[0018]本发明需要解决的技术问题是提供一种在三维场景中不仅能够基于人的视觉特性、而且还能够根据用户的兴趣度要求进行LOD模型选择调用的方法。
[0019]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:
基于双重约束的三维场景LOD模型的选择调用方法，包括以下步骤:
A.用户进入三维场景；
B.获取用户视点坐标以及三维场景中当前物体的中心坐标；
C.计算视距111_01^&11(^，判断当前物体是否在用户视野范围内，若在用户视野范围内，进行步骤D，若不在用户视野范围内则进行步骤H ；
D.从数据库中获取当前物体的被关注信息，计算三维模型的用户兴趣度值，然后计算调用用户所需的当前物体模型的层次序号level ；
E.在步骤D获得的用户所需的当前物体调用模型层次序号level的基础上，结合距离约束条件选择调用用户所需的当前物体的层次细节模型；
F.对步骤E选用的模型进行渲染绘制；
G.判断是否遍历三维场景中的所有物体，若是则结束，若没有遍历三维场景中的所有物体则转入步骤B ；
H.计算当前物体被关注信息，并更新数据库列表，结束。[0020]本发明所述步骤D具体包括: Dl.计算三维模型的用户兴趣度
根据当前用户、当前物体获得关注次数、用户访问场景的总次数、当前物体被当前用户关注的时间以及用户进入场景的总时间，计算当前三维模型的用户兴趣度值interest_Ratio ；
在进行三维模型用户兴趣度的计算过程中，首先对三维模型关注频率兴趣度权值W_f和三维模型关注时间兴趣度权值W_t进行设置，满足w_f+ w_t=l ；
D2.计算调用的层次序号level
根据用户兴趣度值interest_Ratio，计算调用用户所需的当前物体模型的层次序号level ο
[0021]本发明步骤E所述距离约束选择层次细节模型的具体方法为:设定人眼能分辨出物体形状的最大距离d_max以及最小距离d_min,将视距m_Distance与最大距离d_max和最小距离d_min进行比较；
当m_Distance小于等于d_min时，选择调用高一级层次序号的模型mle;ve;1+1 ；当m_Distance大于d_max时,选择调用低一级层次序号的模型Hileve^1 ;当视距m_Distance位于最大距离d_max和最小距离d_min之间时,调用相应的层次细节模型mleve;1。
[0022]本发明步骤H所述当前物体被关注信息的计算主要包括以下步骤:
Hl.判断物体是否被关注，如被关注，则进行步骤H2，
H2.根据当前用户和当前物体，计算用户对物体的关注频率和关注时间。
[0023]本发明步骤Hl所述物体被关注的判断步骤为:
Hll.物体进入用户的视野范围；
H12.物体距用户视点的距离小于某一固定的距离阈值dk ；
H13.用户在距物体距离小于dk的范围内停留时间大于某一固定的时间阈值tk。
[0024]由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是:
本发明提出了一种在三维场景中基于用于兴趣度和距离双重约束的LOD模型调用方法，不仅能够基于人的视觉特性进行LOD模型的选择调用，还能够根据人的主观心理因素对LOD模型在选择调用时进行约束，满足了用户对于高兴趣度的物体的高图像质量的需求的同时，对用户低兴趣度的物体进行淡化处理，可以在满足人基本视觉需求的前提下提高系统的渲染速率。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明的流程图。
[0026]图2为用户A基于三种约束方法下系统绘制时间的对比情况示意图。
[0027]图3为用户C基于三种约束方法下系统绘制时间的对比情况示意图。
[0028]图4为用户C基于三种约束方法下对图像质量满意度的对比情况示意图。
[0029]图5为用户A基于三种约束方法下对模型绘制速率满意度的对比情况示意图。
[0030]图6为用户C基于三种约束方法下对模型绘制速率满意度的对比情况示意图。
【具体实施方式】[0031]下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明:
基于双重约束的三维场景LOD模型的选择调用方法，根据不同用户对场景中的不同物体的感兴趣程度来进行层次细节模型的确定，然后结合人眼睛的成像原理，加入距离约束，在最大程度的满足人的主观心理需求，从而更好的对LOD的模型进行有效合理的调度。
[0032]基于双重约束的三维场景LOD模型的选择调用方法的流程图如图1所示，该选择调用方法具体包括以下步骤:
A.用户通过客户端进入三维场景。
[0033]B.获取用户视点坐标以及三维场景中当前物体的中心坐标。
[0034]C.计算视距111_01^&11(^，视距即用户视点至物体之间的距离，判断当前物体是否在用户视野范围内，若在用户视野范围内，进行步骤D，若不在用户视野范围内则进行步骤H0
[0035]视距的计算过程为:
首先将三维场景中当前物体构建成一个包围体，包围体不仅可以用于场景的管理以及碰撞测验，更重要的是可以根据视点到包围体的距离得到视点到物体的距离。包围体的中心坐标 mCenterPosintion (x, y, z)，视点的坐标为 mCameraPosition (ex, cy, cz)，m_MaxLine是包围体的最大边长,所以视点到模型的距离m_Distance为:
【权利要求】
1.基于双重约束的三维场景LOD模型的选择调用方法，其特征在于包括以下步骤: A.用户进入三维场景； B.获取用户视点坐标以及三维场景中当前物体的中心坐标； C.计算视距m-DISTANCE，判断当前物体是否在用户视野范围内，若在用户视野范围内，进行步骤D，若不在用户视野范围内则进行步骤H ； D.从数据库中获取当前物体的被关注信息，计算三维模型的用户兴趣度值，然后计算调用用户所需的当前物体模型的层次序号level ； E.在步骤D获得的用户所需的当前物体调用模型层次序号level的基础上，结合距离约束条件选择调用用户所需的当前物体的层次细节模型； F.对步骤E选用的模型进行渲染绘制； G.判断是否遍历三维场景中的所有物体，若是则结束，若没有遍历三维场景中的所有物体则转入步骤B ； H.计算当前物体被关注信息，并更新数据库列表，结束。
2.根据权利要求1所述的基于双重约束的三维场景LOD模型的选择调用方法，其特征在于所述步骤D具体包括: Dl.计算三维模型的用户兴趣度 根据当前用户、当前物体获得关注次数、用户访问场景的总次数、当前物体被当前用户关注的时间以及用户进入场景的总时间，计算当前三维模型的用户兴趣度值interest_Ratio ； 在进行三维模型用户兴趣度的计算过程中，首先对三维模型关注频率兴趣度权值W_f和三维模型关注时间兴趣度权值W_t进行设置，满足w_f+ w_t=l ； D2.计算调用的层次序号level 根据用户兴趣度值interest_Ratio，计算调用用户所需的当前物体模型的层次序号level ο
3.根据权利要求1所述的基于双重约束的三维场景LOD模型的选择调用方法，其特征在于步骤E所述距离约束选择层次细节模型的具体方法为:设定人眼能分辨出物体形状的最大距离d_max以及最小距离d_min,将视距m_Distance与最大距离d_max和最小距离d_min进行比较； 当m_Distance小于等于d_min时，选择调用高一级层次序号的模型mle;ve;1+1 ；当m_Distance大于d_max时,选择调用低一级层次序号的模型Hileve^1 ;当视距m_Distance位于最大距离d_max和最小距离d_min之间时,调用相应的层次细节模型mleve;1。
4.根据权利要求1所述的基于双重约束的三维场景LOD模型的选择调用方法，其特征在于步骤H所述当前物体被关注信息的计算主要包括以下步骤: Hl.判断物体是否被关注，如被关注，则进行步骤H2， H2.根据当前用户和当前物体，计算用户对物体的关注频率和关注时间。
5.根据权利要求4所述的基于双重约束的三维场景LOD模型的选择调用方法，其特征在于步骤Hl所述物体被关注的判断步骤为: Hll.物体进入用户的视野范围； H12.物体距用户视点的距离小于某一固定的距离阈值dk ；H13. 用户在距物体距离小于dk的范围内停留时间大于某一固定的时间阈值tk。
【文档编号】G06T15/00GK103646415SQ201310719881
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】刘永山, 贾大苗, 高会聪, 赵子建 申请人:秦皇岛数据产业研究院有限公司