形成基于优化的多边形的外壳网格的方法

文档序号:8531918阅读:388来源:国知局
形成基于优化的多边形的外壳网格的方法
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及计算机图形学,并且更具体地,涉及用于形成三维图形图像的基于优化的多边形的外壳网格(shell mesh)的计算机实现方法。本发明还涉及相应的图像处理设备和计算机程序产品。
[0002]发明背景
[0003]人工计算机图形学(CG)环境的创造和交互式可视化是计算机图形学领域中的重要应用。许多应用(例如CAD、建筑漫游、仿真、医学可视化和计算游戏)包括交互式导航,即,能够以大于每秒10帧地围绕计算机模型/场景移动。
[0004]交互式计算机图形学领域内的总趋势是CG数据集的不断增加的量。大的CG数据集需要用于加快进程的专门的图形系统。然而,即使运用现在的高端计算机硬件,现存的模型也不能以交互速度进行植染。由于CG数据的大小和辅助计算机(secondary computer)存储器的大小以大于其相关硬件发展的速度在增长,因此计算机硬件的发展不大可能解决所描述的问题。
[0005]经常使用三角网格或甚至更普遍地使用多个多边形来表示CG数据。这些网格通常不被优化用于显示或仿真性能。在大部分应用中,初始网格通常可以被优化版所代替,其中优化版可以是具有少得多的面(face)的近似,或包含令其更适合例如上述的特定应用的其他特性。
[0006]为了避免计算速度的降低,经常使用以少量的三角形/多边形提前构建三维CG数据的自动化技术。然而,即使使用了这些技术,对于现今的硬件来说仍然存在太多的多边形需要去渲染。问题在于,例如在计算机游戏中的场景通常具有非常高深度的复杂性,即,在每个像素下有许多层几何结构。
[0007]例如,包括计算机游戏的大场景的视觉图像(比如,建筑物内部、城市、山等等)可能包含无数个需要绘制的多边形。绘制如此大量的多边形可能是超出许多当前的计算机硬件系统的能力的任务。这个问题的一个解决方案认识到通常这种场景中只有一小部分是实际上可见的。也就是说,包括场景的许多多边形可能被其他多边形隐藏或遮挡,或甚至是离视点太远而无法完全辨认。
[0008]为了这个目的,并且尤其是对于复杂的多边形结构,存在人工构建精简结构的正常趋势,其中精简结构类似于复杂多边形结构,但引入用于关于多边形遮挡(常被称为遮挡剔除(occlus1n culling))的确定过程的更低的计算成本。通过这个过程,可进一步改进场景的渲染。
[0009]然而,上述精简结构的人工构建是繁琐的过程,并且当例如制作计算机游戏等的时候将会降低速度且加大成本。另外,产生的精简多边形结构的质量受到构建多边形结构的图形艺术家技术的限制。因此,期望的是允许使得形成三维图形图像的基于优化的多边形的外壳网格自动化,很可能在遮挡剔除过程中有用。
[0010]发明概述
[0011]根据本发明的第一方面,通过用于形成三维图形图像的基于优化的多边形的外壳网格的计算机实现方法来至少在一定程度上减轻了上述问题,该方法包括:获取三维图形图像,该三维图形图像用初始多边形网格来表示;确定初始多边形网格的三维轮廓;沿着初始多边形网格的三维轮廓的法线将多边形网格的尺寸调整预定量,经尺寸调整的多边形网格具有大于或小于初始多边形网格的三维轮廓的三维轮廓;如果经尺寸调整的多边形网格的三维轮廓大于初始多边形网格的三维轮廓,那么通过运用多边形优化过程调整经尺寸调整的多边形网格的三维轮廓来形成优化的外壳网格,其中优化的外壳网格围住初始多边形网格的三维轮廓的预定的大部分;或者如果经尺寸调整的多边形网格的三维轮廓小于初始多边形网格的三维轮廓,那么通过运用多边形优化过程调整经尺寸调整的多边形网格的三维轮廓来形成外壳网格,其中外壳网格的预定的大部分被初始多边形网格的三维轮廓围住。
[0012]通过本发明,能够使得三维图形图像的基于多边形的外壳网格的形成自动化。本发明的主要优势在于,其能够确保产生的外壳网格关于其初始三维轮廓具有预定的限制,SP,通常(至少在某些位置上)大于或小于初始三维图形图像的三维轮廓。
[0013]通过能够确保这种结果在预定的范围内(即,外壳网格的预定的大部分被初始多边形网格围住或围住初始多边形网格),产生的外壳网格可能在例如遮挡剔除过程中特别有用。
[0014]根据本发明,应理解的是,“沿着初始多边形网格的三维轮廓的法线将多边形网格的尺寸调整预定量”的表达本质上对应于:如果“向内”调整多边形网格的尺寸,则“剥去”预定量的多边形网格的外层。如果“向外”调整多边形网格的尺寸,则执行相反的动作,即,在多边形网格的外边“加上”另外一层。由于多边形优化过程被指定了其中可进行优化过程的“范围”,因此该过程提供之后的多边形优化过程以进一步提高其优化。而且,应广义地诠释“多边形优化过程”的表达。也就是说,根据本发明,产生的外壳网格被布置成与初始三维图形图像的多边形网格相比包括更少数量的多边形。相应地,术语“优化的”可能取决于例如用于执行多边形简化过程的用户约束集。
[0015]如上简要讨论的,遮挡剔除是当物体由于被其他物体遮蔽而当前无法从特定视点看见的时候使不能渲染这些物体的特征。根据本发明的方法,在遮挡剔除过程中,大于初始三维图形图像的三维轮廓的外壳网格被提供作为“被遮挡物”,而小于初始三维图形图像的三维轮廓的外壳网格被提供作为“遮挡物”。如所理解的,遮挡物被提供用于“隐藏”被遮挡物。
[0016]然而,应注意的是,产生的外壳网格还可能例如对于基于物理学的仿真和计算有用。
[0017]此外,凭借以高达预定程度确保外壳网格大于或小于初始三维图形图像的三维轮廓的可能性,有可能还确保了由根据本发明形成的被遮挡物表示的三维图形图像实际上将(根据上述“富余部分”(slack)以高达预定程度地)被隐藏在由同样根据本发明形成的遮挡物表示的三维图形图像的后面。
[0018]如所理解的,本发明的方法关于产生的外壳网格通常相当保守。也就是说,产生的外壳网格大于或小于初始多边形网格。因此,允许相对于产生的外壳网格有至少一些富余部分可以是恰当的。相应地,尽管产生的外壳网格的大部分大于或小于初始多边形网格,但是产生的外壳网格的预定部分(可能5-15%)可能因此在初始三维图形图像的三维轮廓的“里面”或“外面”(取决于是大于还是小于初始三维图形图像的三维轮廓)。通过例如用户控制用于执行本发明方法的计算机可动态地改变富余部分的量,即,确定应以多大“宽限(grace)”相对于初始多边形网格确定产生的外壳网格。允许上面讨论的富余部分可使得多边形优化过程在减少产生的外壳网格中的多边形数量的可能性方面进一步提高。
[0019]可选择地,优化的外壳网格可被布置为围住初始多边形网格的整个三维轮廓。同样地,外壳网格可被布置以被初始多边形网格的三维轮廓完全围住。
[0020]在本发明的上下文范围中应理解的是,因为当被外面的观察者观看的时候,三维轮廓可被视为“视角无关的侧影(view independent silhouette) ”,因此确定初始多边形网格的三维轮廓通常可移除初始三维图形图像表面上的任何凹处。也即是,该三维轮廓将被诠释为从初始三维图形图像所有侧面看过去的侧影。在形成被遮挡物时,可仅可选地进行侧影减少。
[0021]此外,应注意,可在(整个)初始三维图像上均匀地进行尺寸调整。然而,基于初始三维图像的类型,可能有必要限制尺寸调整,从而不发生自交现象。尺寸调整还可是视点相关的,且也是物体相关的,从而不同类型的物体和/或从不同视点观看到的可取决于所发生的预定量的尺寸调整。
[0022]在本发明的上下文范围中,进行多边形优化过程的概念通常包括形成“精简的”外壳网格,其中多边形的数量被充分减少(即,使用本领域已知的任何自动化的多边形简化处理),以便以如下的方式精简外壳网格:在中间渲染/确定过程中使用产生的外壳网格,该方式与使用初始多边形网格进行渲染/确定相比,从计算的角度看是有利的。而且,形成外壳网格的过程通常被执行以用于高分辨率的三维图形图像(例如,计算机游戏中的“资产”),但可有利地还关于多边形有所减少的三维图像(即,LOD)进行使用。
[0023]此外,还可优选地引入在其内部可以进行多边形优化过程的“内边界”。该内边界可以例如用与以下方式相似的方式来确定:沿着初始多边形网格的三维轮廓的法线(向内)将多边形网格的尺寸调整预定量。可能地,该内边界可被设置有从如关于经尺寸调整的多边形网格的三维轮廓(进一步)向内的预定量。
[0024]根据本发明的另一个方面,提供了用于形成三维图形图像的基
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