基于自适应细节层次模型的三维场景生成.pdf

进入新世纪以来袁 随着计算机技术的飞速进步袁 其对于三维场景的处理能力也得到了极大的提高袁并且成本也在逐步降低1遥 这使得虚拟现实渊Virtual Reality VR冤 技术得到了快速的发展与应用袁其三维处理技术也被越来越多地应用在动画的制作当中袁展现出了十分广阔的应用前景遥对于现今的移动互联网时代来说袁三维图像在移动端和个人电脑渊Personal Computer PC冤端的实时生成和渲染袁已经成为动画领域和虚拟现实领域中用户体验的核心与关键2遥 要使观看者有更强的真实感袁那么就意味着三维场景中点尧线尧面的数量越多袁即三维场景的渲染质量越好3曰这就会造成计算机系统的开销增大袁尤其是内存和处理器的处理速度袁 这对三维场景的渲染速度有极大的影响袁对用户来说就会感受到三维图像的流畅性欠佳4遥 另一方面袁如果只是追求三维图形的显示速度袁那么必然会降低三维图像的真实感袁也同样会造成较差的用户体验5遥总的来说袁需要在三维场景的渲染速度和渲染质量间寻找一个平衡点遥一般来说有两种方式袁 即可以通过由硬件方式提升计算机的性能袁和通过模型简化和数学加速这两种方式6遥 通过提升计算机硬件性能的方式袁就可以认为是增加计算机的内存容量尧处理器性能尧显卡显存容量等袁比如采用多核处理器和专业高端的显卡7遥 通过模型简化和数学加速的方式袁 即采用适当的数学模型袁在硬件性能不变的情况下袁获得最优的绘制质量8遥采用提升计算机硬件性能的方式会极大的增加消费者的使用成本袁这就使得通过模型简化和数学加速的方式得到了较多的应用遥 细节层次 渊Level ofdetail LOD冤模型就是一种最常用的模型加速方法袁但是其在三维图像的真实性和实时性协调方面还有较大的提升空间9袁10遥综上所述袁目前大多数的研究都是在某一单一方面袁 比如如何提高计算机或播放媒体的硬件性能袁来提高三维图像的渲染速度和渲染质量曰比如通过优化算法来提升三维图像的渲染质量遥这些解决方法都忽略了一个问题袁 即计算机硬件性能尧渲染速度尧 渲染质量三者与用户体验相适配的问题遥所以袁根据不同的计算机硬件性能袁协调三维图像的真实性和实时性袁是十分具有研究价值的遥 本文在 LOD 模型的基础上袁对其进行自适应的改进袁使其在不同计算机硬件配置的情况下袁在真实性和实时性平衡点寻找上具有较好的效果遥1细节层次渊LOD冤模型生成方法基于自适应细节层次模型的三维场景生成林晓佳渊福建商学院袁 福建福州350012冤摘要院随着虚拟现实渊Virtual Reality,VR冤技术的不断进步和发展袁其三维模型的建立已经被越来越多地应用在动画制作方面遥 一个复杂虚拟场景的真实感是否强烈袁与三维模型的精细程度直接相关遥 一般来说袁三维场景中三角面的数量与该场景的真实感呈现正相关关系袁反之则真实感越弱曰虽然增加三角面的数量可以提高真实感袁但是其也会带来绘制速度的降低袁即实时性无法得到有效保障遥 因此袁一个虚拟场景的真实感和实时性便成为一对矛盾的存在遥 所以本文在传统的细节层次渊Levels of Detail,LOD冤模型生成算法的基础上袁总结并提出了自适应的细节层次模型生成算法袁使其可以在保证实时性的前提下袁尽可能地增加绘制的三角面的数量袁以获得最大程度的真实感遥关键词院虚拟现实技术曰三维模型曰三角面曰细节层次曰真实感中图分类号院TP391.9文献标识码院A文章编号院1673-260X渊2023冤05-0040-05Vol.39 No.5May 2023赤 峰 学 院 学 报 渊 自 然 科 学 版 冤Journal of Chifeng University(Natural Science Edition)第 39 卷第 5 期2023 年 5 月收稿日期院2023-01-2040-细节层次模型被定义为袁通过虚拟场景中摄像机与三维模型的距离袁来确定采用与之对应的数学模型遥 一般采用的规则是袁当距离较远时采用精度较低的模型袁距离较近时采用精度较高的模型遥 细节层次渊LOD冤模型已经成为了优化三维图像绘制速度最有效的方法遥 目前袁细节层次渊LOD冤模型的实现袁静态 LOD 和动态 LOD 是两种最常用的实现方法袁其具体区别如图 1 所示遥1.1静态 LOD 技术静态 LOD 技术袁 该技术在渲染前就会提前设定一组不同的模型袁 来分别对应不同的三维场景袁并事先进行约定遥其原理就是根据三维模型到摄像机距离等级的不同袁将其对应为不同的模型袁可以通过图 2 更加直观的表示遥一般来说袁可以将静态 LOD 分为三个层次袁即高精度模型渊作用范围小于 15 米冤尧中精度模型渊作用范围在 15 米到 30 米之间冤尧低精度模型渊作用范围大于 30 米冤袁作用范围即三维模型与摄像机的距离遥1.2动态 LOD 技术动态 LOD 技术中袁 每一层次的模型都是通过上一层次经过点尧边尧面的折叠算法生成的遥其模型的精度会逐渐降低袁 从而保证了场景渲染的连续性遥 动态 LOD 技术的基于点尧线尧面折叠的算法如下遥渊1冤基于顶点折叠的方法遥 该方法根据需求删除某些相对不重要的顶点袁比如通过在局部范围内拟合一个平面袁通过获得顶点到平面的距离来判断该顶点是否需要删减遥这种方法可以有效的降低数据总量遥渊2冤基于边折叠的方法遥该方法的原理袁就是将一条边压缩成为一个顶点袁通过这样的操作袁可以很容易的减少一个顶点尧三条边尧以及两个面的数据遥 如图 3 所示遥上图中新顶点位置的选择袁可以通过子集法和最优法来得到遥根据子集法的原理袁新顶点必然产生于原顶点中袁根据上图则为 v=v1 或 v=v2遥根据最优法的原理袁新顶点必然满足二次误差最小的条件遥 一种常用的最优法的求解方式为院定义顶点 v 的二次误差度量为 v 到其对应的三角平面的集合 p(v)的距离的平方和袁即院驻(v)=驻(vx,vy,vz,1T)=移p沂plane(v)vT(kp)v=vT 移p沂plane(v)kpv=vTQv(1)上式中 Q 为 v 的二次度量矩阵袁 其可以用来判断某一条边是否应当被折叠遥 其中 v=vx,vy,vz,1T与 p=z,b,c,dT可以表示一个平面 ax+by+cz+d=0遥则有下式院Kp=ppT=a2abacadabb2bc baacbcc2cdadba cdd2杉删山山山山山山山山山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫(2)这样通过求解方程院鄣驻(v)/鄣x=鄣驻(v)/鄣y=鄣驻(v)/鄣z(3)求解便可以得到最小 驻(v)的 v袁这就是新顶点的位置袁倘若上述的方程无解袁则需要采用子集法来进行计算遥渊3冤基于面折叠的方法遥该方法会选择一个面袁然后用一个新的顶点来替代该面曰而与该面相关的面袁均变化为与新顶点的连线遥 这种方式一次可以删除两个顶点与四个面遥1.3两种技术的对比静态 LOD 技术和动态 LOD 技术各有其优缺点遥 静态 LOD 技术所需要的渲染时间较短袁但是其存在着冗余数据较多尧 三维图像会出现跳变等问题遥 动态 LOD 技术袁虽然可以在一定程度上减少冗图 1细节层次渊LOD冤模型生成方法图 2静态 LOD 精细层次模型图 3边折叠示意图计算机科学41-余数据袁 以及可以有效的避免三维图像的跳变袁但是其渲染所需要的运算律较大尧时间较长袁会带来实时性的问题遥2自适应细节层次 LOD 模型建立消费者所使用的 PC 机或移动端的情况是各部相同的袁这也就造成了其三维图形的绘制速度是有较大差异的袁即最大承受点是不同的遥因此袁一套自适应细节层次模型应当根据实际硬件的性能袁在保证图像流畅性的前提下袁选取最优的三维图像的绘制速度渊帧率 FPS冤和绘制质量渊三角面数冤遥2.1显卡刷新速率 FPSFPS 为每秒可以刷新的帧数袁单位为野帧/秒冶袁该值越高即可以认为三维图形的绘制速度越快袁三维图像就会变得越流畅遥 一般电影的 FPS 的值为24袁即以每秒 24 帧的速度进行画面的渲染袁电影在这种帧速下袁人眼是不会感觉到卡顿的遥 在一个虚拟 3D 场景中袁其 FPS 的值是会随着三维图像中三角面数量的变化而变化的袁其 FPS 的值与流畅度的关系如下表 1 所示遥根据上表可以看出袁要保证三维图像的基本流畅性袁需要 FPS 的值大于 40袁才能保证实时性和流畅性遥2.2自适应细节层次模型自适应细节层次模型的建立可以分为以下几步遥首先袁计算得出用户 PC 端或移动端袁在确保野十分流畅冶这一标准的帧率的前提下袁可以渲染的最大三角面的数量为 M遥 其次袁对本帧的三维模型所需要渲染的三角面的数量为 N曰倘若 NM袁则采用动态 LOD 技术袁 通过边折叠方法来减少三角面的数量渊降低 LOD 级别冤曰若 NM袁则同样通过边折叠方法来逆向的增加三角面的数量 渊提升 LOD级别冤遥这样通过多次运算袁 便可以得到最合适的LOD 级别袁 在三维图像的绘制速度和绘制质量中找到最优解遥3案例应用为了试验的客观性袁本文在这里选用同一个三维场景袁 用两个不同硬件配置的 PC 端进行渲染袁来进行对比试验遥 由此来说明袁自适应细节层次的LOD 模型袁相比于传统的细节层次 LOD 模型袁在用户体验性上有较好的改善遥3.1测试环境搭建选用两台配置不同的 PC 来进行三维图像的渲染袁其配置如下表 2 所示遥由上表可以看出袁在处理器渊CPU冤性能尧内存尧硬盘性能方面袁PC1 均优于 PC2遥3.2测试过程在 Unity 中建立一个工程袁在该工程中新建一个三维场景袁 并且建立一个 Prefab 工程添加在其中袁当每一帧进行刷新时袁就在原有的三维场景中添加一个物体袁 由此便可以使该三维场景中的三角面数量不断增加遥 通过记录每一帧的帧率和三角面数袁进行对比测试遥 在试验时统一采用 Win7平台袁并且关闭所有不必要的进程袁以保证试验的客观性遥帧率流畅性FPS30流畅度有限30FPS40基本流畅40FPS60特别流畅表 1帧率与流畅度关系表核心配件型号参数PC1处理器Inter i5-66003.3GHz 四核主板技嘉 B150-HD3P-CF显卡Nvidia Quadro M2000显存类型院DDR5显存容量院4GB显存位宽院128bit内存金士顿 HX424C15FB2/8-SPDDR4 2400MHz16GB硬盘三星 SSD850EVO120GB/固态硬盘PC2CPUInter 酷睿 i5-34703.2GHz 四核主板技嘉 B150-HD3P-CF显卡Nvidia Quadro M2000显存类型院DDR5显存容量院4GB显存位宽院128bit内存金士顿 KVR16N11/8-SPDDR3 1600MHz8GB硬盘西数 WDCWD5000AAKX500GB/7200 转/分表 2硬件平台配置及参数计算机科学42-传统的细节层次模型袁渲染时的实现过程如下图 4 所示遥自适应的细节层次模型袁渲染时的实现过程如下图 5 所示遥3.3测试过程采用 3.2 节的方法袁 在 3.1 节中的 PC1 和 PC2分别进行试验遥 记录其三角面数和帧率的数据遥 部图 5自适应细节层次模型实现流程PC1PC2三角面数量帧率三角面数量帧率3823202382317846881754688159537115353711376147129614711869221226922108768811076889684219984218792458592457695737195736299815899815150021325002125523463152346245490129549012256582285658222584312658431216036726603671962249256224918648032364803186653421665341668375206837515表 3采用传统细节层次模型的三角面与帧率数据PC1PC2三角面数量帧率三角面数量帧率58701584952151605115346881595371153537113761471296147118692212269221087688110768896842199842187