[发明专利]一种三维模型的自适应化简、渐进传输和快速绘制的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维模型的自适应化简、渐进传输和快速绘制的方法，属于空间信息技术、计算机图形学、虚拟现实技术和计算机操作系统等领域。

背景技术

空间实体是对存在或虚拟于自然世界中的实体或现象的抽象，与空间位置或特征相关联，在自然世界中是不可再分的最小单元，基本的空间实体有点、线、面和体四种类型。在计算机图形学中，通常用而模型描述三维物体，而三维模型即对应空间实体中的体实体，然后再通过计算机或者其它视频设备进行显示。显示的三维模型可以是现实世界的实体，也可以是虚构的东西，既可以小到原子，也可以大到很大的尺寸。任何物理自然界存在的东西都可以用三维模型表示。

三维模型包括几何和纹理两部分。其中，几何通常用多边形来或者体素来表示，用体素来表示的三维模型又叫体素模型，其它表示三维模型的几何部分的方法有NURBS曲面、细分曲面以及光线跟踪中所用的基于方程的表示方法等等。许多三维模型需要使用纹理进行覆盖，将纹理排列放到三维模型上的过程称作纹理映射。纹理就是一个图像，但是它可以让模型更加细致并且看起来更加真实。

以用多边形来表达三维模型的几何部分为例，即用多边形表示或者近似表示物体的曲面。它的基本对象是三维空间中的顶点，将两个顶点连接起来的直线称为边，三个顶点经三条边连接起来成为三角形，三角形是欧氏空间中最简单的多边形。多个三角形可以组成更加复杂的多边形，或者生成多于三个顶点的单个物体。四边形和三角形是多边形表达的三维模型中最常用的形状，在三维模型的表达方面，三角网三维模型(或称TIN模型)因其数据结构简单、容易被所有的图形硬件设备绘图等特点成为三维模型表达的一种流行选择，其中每个三角形就是一个表面，因此也将三角形称为三角面片。

以用体素来表达的三维模型的几何部分为例，不仅和用多边形表达的三维模型一样能显示物体的表面，而且能描述物体的内部信息，但需要把物体的表面几何表示形式离散成最接近该物体的体素表示形式，体素可以理解为二维像素在三维空间的推广，它们是一组分布在正交网格中心的立方体单元，类似于将二维图像叠加起来形成的三维光栅(3DRaster)。基于体素的三维模型有许多应用，例如医学影像、流体力学、地形造型(Terrain modeling)和机械零件造型等领域。

随着科学技术的不断进步，在计算机图形学、虚拟现实、城市规划、文物修复、动画游戏、计算机辅助设计、地理信息系统、医学图形等领域越来越多地应用到三维图形。应用的需求带动了采集技术的发展，现在的机载激光扫描、高分辨率卫星影像，三维数字摄像和扫描系统等，这些高效的空间数据获取方法使得生成高分辨率的三维模型成为现实，但也使得三维模型数据的数据量呈几何级数增长。因为三维物体表面细节的表现往往需要纹理(Texture-Compression，也称之为材质)来实现，那么越是高分辨率越是真彩色的纹理自然表现力也是越强，三维模型的高分辨率(或者叫高精度)越高，三维模型需要的纹理就越多，数据量也就越大，绘制时用的时间越长。同时，Internet也已经成为一种数据共享、分布式存储、分布式计算、传输、可视化等的基础平台，因此一个系统所需要的三维模型可能分布存储于异构环境中，但是目前的网络传输带宽，远远不能满足这些三维模型数据的实时传输。本发明中，用来表示和记录三维模型的顶点、多边形、体素及相应的纹理等数据，称之为三维模型数据，简称模型数据。

比如在三维GIS引擎中，对浏览的实时性要求很高，如果直接下载并使用未经处理的原始三维模型数据，绘图速度将无法接受，特别是在移动终端上(如PDA)，即使利用三维硬件设备来提高绘图速度也无法解决网络传输的带宽瓶颈，并且大大增加了经济负担。因此提高三维模型数据的传输效率和绘图速度，成为一个迫切需要解决的问题。

有很多研究工作试图来解决这个问题。在网格简化，对三维模型进行多分辨率描述和传输，即多层次细节模型(Level of detail)和渐进网格方面，研究人员均做了大量的工作，但海量三维模型数据的快速网络传输和绘图一直没有得到解决，主要原因在于：

1)目前的三维模型的化简方法不能做到在客户端显示时的自适应无损化简，即化简前和化简后显示的效果始终是一样的。

2)三维模型数据化简效率低，不适合对海量三维模型数据进行实时化简，需要对原始数据进行预处理，按多尺度分层存储，如果原始数据发生改变，则需要重新处理，即增加了存储空间，又不能根据三维模型在客户端的显示真正做到自适应渐进传送。