一种面向虚拟现实技术的多分辨率模型简化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种面向虚拟现实技术的多分辨率模型简化方法，用于解决虚拟现实 场景实现过程中复杂度与实时性要求过高而计算机图形硬件处理能力不足的矛盾，属计算 机图形处理技术领域。
【背景技术】
[0002] 实时三维图形绘制技术是目前虚拟现实技术的重要研宄领域与课题，然而随着虚 拟现实技术应用的逐步升级，计算机所需描绘的场景日益复杂、逼真，但目前计算机的绘制 能力远远不能满足要求，且随着虚拟现实技术不断向移动平台扩展，全部通过硬件实现加 速绘制的方案变得越来越不现实。此外，虚拟现实技术的许多应用领域，对实时性要求极 高，需要用户能在较高的交互帧频率下对场景中的对象进行实时互动，甚至要求达到人眼 察觉不到的闪烁程度（通常在30-60帧），这些都要求系统的图形必须及时生成并且对环境 和场景做出反应。
[0003] 图形硬件流水线分为处理和绘制两个阶段，从主机开始获取整个虚拟场景到生成 整个虚拟场景画面给用户，需要在以下两个阶段耗费大量的时间，一是主机存取时间，二是 几何处理绘制时间。前者主要取决于机器自身性能，尚无法通过算法进行优化，而后者主要 取决于图形定点的数量和图形所涵盖的像素数量（即图形的复杂度）。目前在虚拟现实应 用中主流的优化方法主要是通过并行计算和分布式图形绘制对算法进行优化，或者通过可 见性裁剪或预处理方式对图像生成时间进行压缩，本文则主要通过提出模型简化和多分辨 率造型的算法，对虚拟场景生成效率进行优化。
[0004] 目前在多分辨率模型简化领域，主要是通过构建简化多边形和采样点的方式，构 建多分辨率简化模型，例如中国科学院计算技术研宄所的申请号为200610089057. 9、发明 名称为"一种虚拟人实时绘制方法"的发明专利，该方法是通过构建简化多边形和采样点来 实现构建多分辨率模型，但是该专利有两个缺陷，一是构建的多分辨率模型无法进行重要 度区分，二是无法衡量多分辨率模型的质量，也无法对简化的程度进行评估、修改、调节。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明提供了一种面向虚拟现实技术的多 分辨率模型简化方法。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] 一种面向虚拟现实技术的多分辨率模型简化方法，通过计算机对虚拟现实系统中 的各个模型进行运算和图形输出来实现，运算方法归结为顶点聚类类型的算法，该方法的 步骤如下：
[0008] 1、网格划分：对原始的模型建立一个能够包围全部模型的立方体，称为立方体包 围盒，通过立体空间的划分将包围盒分成若干个立体区域，这些区域称为模型聚类网格，在 这些网格内，模型的顶点即模型中各个面相交形成的点都会一一映射到不同的网格中；
[0009] 2、聚类点计算：将同一个聚类网格中的顶点全部整合为一个新的顶点，之后再根 据原始的顶点之间的拓扑连接关系重新连接，构成了新的模型；
[0010] 采用多分辨率模型选择尺度，其建模思想是通过对场景中每一个模型对象的重要 性进行分析，使得重要性排名靠前的模型进行高质量的绘制，而重要性排名靠后的对象，则 采用低质量的绘制，这样使得整个虚拟现实系统能在保证实时运行的前提下，尽最大程度 的提高用户的视觉感受；那么我们通过定义重要度S来对系统中物件的重要性大小进行衡 量，每个物件的重要度取决于如下几个要素：
[0011]a、距离重要度Sd:我们首先将虚拟现实系统中第一人称摄像机的位置定义视点， 那么系统中物体与视点之间的距离则是衡量物体重要程度中最主要的标准之一，距离与物 体的重要程度成反比，其比例关系使用回归运算可知接近一个类反比例函数关系，在实际 计算应用中，我们将系统中视点与模型包围盒的中心点之间的距离称为视距d，那么当视距 变大时，物体的重要度会呈反比例下降，Sd=klAd+al)+cl，该拟合函数中kl，al，cl为待 定系数，d表示视距，由重要度和距离之间的实际测量值经过回归运算得到；
[0012] b、离心率重要度Se:这里离心率指的是模型与视点正前方之间的夹角0，一般用 于反映人眼对物体的注意程度，所以在虚拟现实系统中，要根据物体距离视点的偏离程度 确定模型的重要度，经过回归运算，其重要度和离心率的关系约为一个对数函数关系，值得 注意的是该函数的定义域为虚拟现实系统中第一人称摄像机的视觉宽度FOV，当离心率变 大时，该模型的重要度会呈对数下降36 =〇2*1(^1^2(0)+62，其中〇〈1^2〈1，0￡[0^(^])， 其中C2,k2,e2为待定系数，由重要度和离心率之间的实际测量值经过回归运算得到；
[0013] c、速度重要度Sv:这里速度并不是指物体本身的移动速度，而是指物体相对于视 点的移动速V，物体移动越快，眼睛看到的就会越模糊，此外由于物体是相对视点移动，因此 这里我们描述物体移动时使用角速度描述，以便更直观的衡量物体移动与物体重要度之间 的关系，通过回归运算得模型与视点角速度与重要度的关系接近一个三次幂函数的反函数 Sv=k3(V+a3)~l/3+c3,其中k3,a3,c3为待定系数，由重要度和离心率之间的实际测量值 经过回归运算得到；
[0014] d、人为因素重要度Sh:上述因素是在理想虚拟现实场景中做出的数学假设，然而 事实上，在每一个虚拟场景的应用中，不同的物件都会被赋予不同的重要度，举一个简单的 例子，挂在墙上的一幅画，如果按上述公式计算，和可能得到墙的重要度大于画的重要度， 然而事实上画要远远比墙重要，因此对于一些重要的物件，则需要人为的对其重要度进行 加成，在建模和场景调试时，将其赋予给模型，防止因纯数字计算结果产生的较大的误差；
[0015] 对上述重要度进行计算后，我们能够对上述重要度的不同权重予以调整，并进一 步的推出总的重要度，S=Al*Sd+A2*Se+A3*Sv+A4*Sh，其中A是权重系数；
[0016] 此后，在根据计算机的实际运算能力，虚拟现实系统运行速率要求，以及虚拟现 实系统建模精度要求和用户视觉体验要求因素，设置初始误差度最大允许范围即阈值，阈 值的默认值为0,即初始模型和简化模型完全相同，之后根据上述因素，人为逐步递增阈值， 并可随时调整，以便适应不同的情形；
[0017] 为评价模型简化的误差，我们定义一个相似性定量评价法，即定义初始模型为M， 简化模型为M'，通过函数E(M，M'）来衡量模型的近似误差，由于虚拟现实系统中所有模型 均为非绘制模型即绝大多数模型为非规则模型，这可以通过对其几何形状误差度进行计 算，得到函数E(M，M'）的值作为模型之间的误差度；
[0018] 误差函数的结果应为非负的实数，且具有以下特性
[0019] 1)模型完全相同是该函数为0的充分必要条件：
[0020] M=M'〈 = >E(M，M'）= 0,其中符号〈= > 表示充分必要条件；
[0021] 2)该函数自变量满足交换律：
[0022] E(M，M'）=E(M'，M);
[0023] 3)两模型之间的误差度总不大于两模型与另一模型误差度之和：
[0024] E(M，M'）〈 =E(M，M"）+E(M，，M"）；
[0025] 其中M"表示另一模型，E(M，M"）表示初始模型与另一模型之间的误差度， E(M'，M"）表示简化模型与另一模型之间的误差度，我们把一般函数的误差度计算方法类比 到模型误差度领域；
[0026] 目前最常用的误差计算方法有两种，即L<-和L2,其中L表示范数，L2范数是向量 或函数中各个元素的平方积分求和然后求平方根，L范数是向量或函数各个元素求绝对 值，最大元素的绝对值，我们设一个实变函数f(x)和一个近似函数g(x)，上述两个函数的 定义域均为[a，b]，如果用L方法计算误差度的话，公式为：
[0027]
【主权项】
1. 一种面向虚拟现实技术的多分辨率模型简化方法，通过计算机对虚拟现实系统中的 各个模型进行运算和图形输出来实现，运算方法归结为顶点聚类类型的算法，该方法的步 骤如下： (1) 网格划分：对原始的模型建立一个能够包围全部模型的立方体，