基于雙重約束的三維場景l(fā)od模型的選擇調(diào)用方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于雙重約束的三維場景LOD模型的選擇調(diào)用方法，包括：A.進入三維場景；B.獲取用戶視點坐標以及三維場景中當前物體的中心坐標；C.計算視距，判斷當前物體是否在用戶視野范圍內(nèi)；D.計算三維模型的用戶興趣度值及調(diào)用用戶所需的當前物體模型的層次序號；E.結(jié)合距離約束條件選擇調(diào)用用戶所需的當前物體的層次細節(jié)模型；F.對選用的模型進行渲染繪制；G.判斷是否遍歷三維場景中的所有物體。本發(fā)明能夠基于興趣度和距離進行LOD模型的選擇調(diào)用，滿足了用戶對于高興趣度物體高圖像質(zhì)量需求的同時，對用戶低興趣度的物體進行淡化處理，在滿足人基本視覺需求的前提下提高系統(tǒng)的渲染速率。
【專利說明】基于雙重約束的三維場景LOD模型的選擇調(diào)用方法【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及計算機【技術領域】，特別是一種三維場景中LOD模型的選擇調(diào)用方法。背景技 術
[0002]在較大規(guī)模的三維應用系統(tǒng)中，解決復雜場景的真實感和實時繪制之間的矛盾一直是計算機圖形學領域的難點課題，為了獲得較高質(zhì)量的更真實的視覺效果，往往對模型的細節(jié)程度要求比較高，所以模型會比較復雜，這樣勢必會發(fā)生內(nèi)存容量無法滿足而不得不犧牲時間進行存儲交換的情況。為了獲得理想的視覺效果和計算機處理速度，就需要使用一定的技術對場景中的模型進行有效的管理，以達到場景的真實感和實時繪制的協(xié)調(diào)與平衡。遮擋裁剪技術和細節(jié)層次技術(Level of Detail，簡稱LOD技術)是兩種有效的三維復雜場景渲染加速技術。
[0003]LOD技術首先由Clark于1976年提出，該技術的主要思想是:為場景中的同一個物體構(gòu)造成多個模型，各個模型之間的區(qū)別在于細節(jié)描述程度的不同，用這些具有多層次結(jié)構(gòu)的物體集合描述一個場景。根據(jù)人的視覺特點，對于離視點不同距離或具有不同重要性的物體選擇調(diào)用不同細節(jié)層次的模型。
[0004]20世紀90年代初，虛擬現(xiàn)實和三維可視化等眾多新的研究領域興起，并且對圖形的生成速度有了越來越高的要求，然而當時的計算機性能不能滿足三維復雜場景實時繪制的需要，因此，許多學者在圖形繪制的加速方法上展開研究。針對場景中圖像實時顯示的問題，學術界掀起了網(wǎng)格簡化方法研究的高潮。
[0005]1991年，DeHaemer采用自適應遞歸方法，提出了簡化多邊形網(wǎng)格的方法，該方法的主要思想是用基于規(guī)則四邊形網(wǎng)格來表示物體的模型。1992年，Schroder提出了一種基于頂點移去的網(wǎng)格簡化算法。1993年，Hoppe提出了一種基于網(wǎng)格匹配過程和網(wǎng)格簡化過程的整體網(wǎng)格優(yōu)化方法。1994年，Hamann提出了一種基于三角形移去的模型簡化方法。1995年，Eck提出利用小波變換將多面體模型表示為多分辨率的形式來生成一系列連續(xù)的層次細節(jié)模型。1996年，Hoppe在網(wǎng)格優(yōu)化方法基礎之上，提出了采用遞進網(wǎng)格來表示模型的簡化算法。1997年Garland提出使用二次誤差度量來控制網(wǎng)格的簡化，這種方法可以快速的生成高質(zhì)量的近似模型。以上是國外學者的一些研究成果介紹，近幾年，國內(nèi)的不少學者也針對LOD技術展開了一些卓有成效的研究工作。
[0006]2006年，全紅艷等人提出了一種基于區(qū)域分割的幾何模型簡化算法，通過對各個區(qū)域按照三角形數(shù)目的比例進行簡化，在保持模型細節(jié)特征的基礎上，加快了模型簡化的速度。2009年，盧威等人提出了一種基于二次誤差測度(QEM)的網(wǎng)格簡化算法，該算法利用半邊折疊操作對QEM算法進行了改進，解決了非連續(xù)外觀屬性在簡化過程中的畸變問題。2010年，聞濤等人提出了一種基于三角形刪除的簡化算法，該算法通過計算三角形網(wǎng)格的權重及根據(jù)設定的權重差值比例來刪除模型相應的三角形網(wǎng)格區(qū)域，最后再對刪除三角網(wǎng)格后的區(qū)域進行重建。騰書娟提出了一種保持視覺特征的LOD模型簡化算法，該算法引入頂點曲度特征因子和限制狹長三角形的生成方法，保持了模型的幾何特征，并通過標記色差明顯的三角形，保持了模型的紋理特征。王芳根據(jù)三角面頂點法向量重要程度的不同，提出了一種二次誤差測度邊折疊算法。該算法通過對三角面頂點法向量重要度的控制，使得重要度大的頂點關聯(lián)邊不被折疊，不僅減少了運算量，而且保證了簡化后的模型表面光滑平順?？状沽捎糜脩襞d趣區(qū)域編碼(ROI)思想，并結(jié)合邊收縮算法，實現(xiàn)了對用戶興趣區(qū)域以外的其它區(qū)域進行簡化，只對用戶興趣區(qū)域內(nèi)的局部模型保持高分辨率，保證了連續(xù)多分辨率模型的重建。
[0007]Macie首次提出了基于Impostor技術的繪制方法，中國的學者將LOD技術和Impostor技術相結(jié)合,提出了 LOD-1mpostor技術。在實際的調(diào)用過程中，當物體離視點足夠遠或物體圖像不重要時，我們可以使用Impostor技術把模型渲染成一張二維貼圖來代替物體的模型，通常為提高渲染的速度問題我們一般采用預生成的二維貼圖，這樣在一定程度上提高了場景的渲染速率。
[0008]三維應用場景中，LOD技術是根據(jù)物體圖像的重要程度不同來選擇調(diào)用不同分辨率的模型，對于圖像重要性低的物體用該物體的低精度模型進行繪制，以節(jié)省繪制時間，反之，對于重要性高的物體則用該物體的高精度模型進行繪制，以保證用戶的視覺效果。然而衡量用戶的視覺效果又是一個很復雜的問題，目前還沒有一種權威的計算方法來衡量用戶視覺效果。
[0009]對于物體圖像重要程度的衡量學者做過較為詳細的研究，影響圖像重要程度的因素，也可以看做是選擇調(diào)用LOD模型的條件參數(shù)，目前可以歸結(jié)為以下幾種條件。
[0010](I)距離:根據(jù)人眼睛的視網(wǎng)膜成像原理，總是看近處的物體清晰，看遠處的物體變的模糊，所以在三維場景中，當物體距離視點較近的時候就需要調(diào)用高精度的模型進行繪制，這樣才能達到較好的視覺效果，反之，對于離視點較遠的物體就可以調(diào)用低精度的模型進行繪制，因為超出人眼可分辨的距離后，即使模型的精度再高，在用戶看來和低精度模型的視覺效果是沒有差別的。在實際調(diào)用中，可以預先設定一組距離閾值，然后通過實時的比較物體離視點的距離來調(diào)用不同精度的模型。
[0011](2)屏幕投影面積:面積指的是物體的圖像在屏幕上投影所占的面積，物體圖像投影面積越大，則對圖像效果的貢獻就越大，所以一般要用高精度的模型繪制，反之投影面積小的就用低精度的模型代替。屏幕投影面積通常是用其多邊形所占像素的總數(shù)來計算，也可以用圖像與視點的距離來計算。
[0012](3)視角:根據(jù)人眼睛的成像原理可以得到，人的眼睛看東西時會存在一個可視范圍，超過這個范圍看物體就會變的模糊，這個范圍所形成的角度稱為視角。視角決定了可視目標的大小以及清晰程度，直接影響用戶的視覺效果。視角與視距成反比，視角越大，繪制時選用的模型精度就越高。
[0013](4)光照:燈光照射在物體模型上會存在反射，一般是模型的亮度越高，人眼看到的物體越清晰，亮度越低，看到的圖像越模糊，由此可以依據(jù)物體表面反射光的強度來調(diào)用LOD模型，模型上亮度越高，就用越高精度的模型進行繪制。
[0014](5)相對運動:現(xiàn)實生活中，人坐在行駛的車上，總是感覺離自己越近的物體向后倒退的速率越快，離自己較遠的物體運動相對較慢，而對于更遠處的物體感覺幾乎不動。物體的運動速率越快，人眼看到的景象越模糊，反之越清晰，因此，可以依據(jù)物體的相對運行速率來選擇調(diào)用不同精度模型，對于運行速率較快的物體選擇高精度模型繪制。[0015]以上這些條件因素都是從人的視覺特性也可以說是生理感覺出發(fā)，沒有考慮到人的主觀心里感受，忽略了用戶對于不同物體可能具有不同的興趣愛好程度，因此不能很好的滿足人心理上的需要。
[0016]國外學者Chan通過觀察記錄用戶對于網(wǎng)頁中超鏈接的選擇情況，分別找出了用戶感興趣和不感興趣的網(wǎng)頁，并將其作為實驗樣本，之后計算單字之間的期望值信息，并挑選出期望信息較大的250個單字來構(gòu)成用戶模型。Lieberman提出用戶感興趣程度可以用不同權重值來表示，用戶感興趣程度越高設置的權重越大，反之越小。Morita和Shinoda提出，用戶對頁面的瀏覽時間可以體現(xiàn)出用戶的感興趣程度，從而可以獲取用戶感興趣的信息，他們設計了一套不影響用戶瀏覽行為的系統(tǒng)來獲取用戶對頁面的瀏覽時間，由此判斷用戶對哪些頁面感興趣。我國楊元生和林鴻飛將文本段落作為辨別用戶興趣的基本要素，以聚類分析為基礎，通過考察段落、特征項和類別的表達能力來構(gòu)建用戶興趣模型；根據(jù)計算出的與文本的相匹配程度，把滿足條件的文本推薦給用戶，并利用相關的反饋信息，追蹤和更新用戶興趣模型，從而提高個性化服務的效率。孫鐵利提出通過獲取用戶的隱式反饋信息來建立和更新用戶興趣模型，這種方法只需要通過觀察記錄用戶瀏覽Web頁面時的行為動作來獲得用戶的隱式反饋信息，而不需要用戶直接顯式的提供興趣信息；根據(jù)隱式反饋信息來建立和更新用戶興趣模型，可以減輕用戶的負擔。朱征宇提出采用加權關鍵字矢量來表示用戶興趣模型，通過對用戶瀏覽的頁面進行聚類分析，對用戶的瀏覽行為進行回歸分析建立用戶興趣模型，此模型能夠較好的反映用戶的興趣類型，提高了個性化服務的效率。
[0017]上述對用戶興趣模型的研究均是基于二維互聯(lián)網(wǎng)，而在三維互聯(lián)網(wǎng)絡中的應用研究還相對較少，更加沒有形成一個完整的技術體系，還有許多關鍵問題尚待解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明需要解決的技術問題是提供一種在三維場景中不僅能夠基于人的視覺特性、而且還能夠根據(jù)用戶的興趣度要求進行LOD模型選擇調(diào)用的方法。
[0019]為解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案是:
基于雙重約束的三維場景LOD模型的選擇調(diào)用方法，包括以下步驟:
A.用戶進入三維場景；
B.獲取用戶視點坐標以及三維場景中當前物體的中心坐標；
C.計算視距111_01^&11(^，判斷當前物體是否在用戶視野范圍內(nèi)，若在用戶視野范圍內(nèi)，進行步驟D，若不在用戶視野范圍內(nèi)則進行步驟H ；
D.從數(shù)據(jù)庫中獲取當前物體的被關注信息，計算三維模型的用戶興趣度值，然后計算調(diào)用用戶所需的當前物體模型的層次序號level ；
E.在步驟D獲得的用戶所需的當前物體調(diào)用模型層次序號level的基礎上，結(jié)合距離約束條件選擇調(diào)用用戶所需的當前物體的層次細節(jié)模型；
F.對步驟E選用的模型進行渲染繪制；
G.判斷是否遍歷三維場景中的所有物體，若是則結(jié)束，若沒有遍歷三維場景中的所有物體則轉(zhuǎn)入步驟B ；
H.計算當前物體被關注信息，并更新數(shù)據(jù)庫列表，結(jié)束。[0020]本發(fā)明所述步驟D具體包括: Dl.計算三維模型的用戶興趣度
根據(jù)當前用戶、當前物體獲得關注次數(shù)、用戶訪問場景的總次數(shù)、當前物體被當前用戶關注的時間以及用戶進入場景的總時間，計算當前三維模型的用戶興趣度值interest_Ratio ；
在進行三維模型用戶興趣度的計算過程中，首先對三維模型關注頻率興趣度權值W_f和三維模型關注時間興趣度權值W_t進行設置，滿足w_f+ w_t=l ；
D2.計算調(diào)用的層次序號level
根據(jù)用戶興趣度值interest_Ratio，計算調(diào)用用戶所需的當前物體模型的層次序號level ο
[0021]本發(fā)明步驟E所述距離約束選擇層次細節(jié)模型的具體方法為:設定人眼能分辨出物體形狀的最大距離d_max以及最小距離d_min,將視距m_Distance與最大距離d_max和最小距離d_min進行比較；
當m_Distance小于等于d_min時，選擇調(diào)用高一級層次序號的模型mle;ve;1+1 ；當m_Distance大于d_max時,選擇調(diào)用低一級層次序號的模型Hileve^1 ;當視距m_Distance位于最大距離d_max和最小距離d_min之間時,調(diào)用相應的層次細節(jié)模型mleve;1。
[0022]本發(fā)明步驟H所述當前物體被關注信息的計算主要包括以下步驟:
Hl.判斷物體是否被關注，如被關注，則進行步驟H2，
H2.根據(jù)當前用戶和當前物體，計算用戶對物體的關注頻率和關注時間。
[0023]本發(fā)明步驟Hl所述物體被關注的判斷步驟為:
Hll.物體進入用戶的視野范圍；
H12.物體距用戶視點的距離小于某一固定的距離閾值dk ；
H13.用戶在距物體距離小于dk的范圍內(nèi)停留時間大于某一固定的時間閾值tk。
[0024]由于采用了上述技術方案，本發(fā)明取得的技術進步是:
本發(fā)明提出了一種在三維場景中基于用于興趣度和距離雙重約束的LOD模型調(diào)用方法，不僅能夠基于人的視覺特性進行LOD模型的選擇調(diào)用，還能夠根據(jù)人的主觀心理因素對LOD模型在選擇調(diào)用時進行約束，滿足了用戶對于高興趣度的物體的高圖像質(zhì)量的需求的同時，對用戶低興趣度的物體進行淡化處理，可以在滿足人基本視覺需求的前提下提高系統(tǒng)的渲染速率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的流程圖。
[0026]圖2為用戶A基于三種約束方法下系統(tǒng)繪制時間的對比情況示意圖。
[0027]圖3為用戶C基于三種約束方法下系統(tǒng)繪制時間的對比情況示意圖。
[0028]圖4為用戶C基于三種約束方法下對圖像質(zhì)量滿意度的對比情況示意圖。
[0029]圖5為用戶A基于三種約束方法下對模型繪制速率滿意度的對比情況示意圖。
[0030]圖6為用戶C基于三種約束方法下對模型繪制速率滿意度的對比情況示意圖。
【具體實施方式】[0031]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明:
基于雙重約束的三維場景LOD模型的選擇調(diào)用方法，根據(jù)不同用戶對場景中的不同物體的感興趣程度來進行層次細節(jié)模型的確定，然后結(jié)合人眼睛的成像原理，加入距離約束，在最大程度的滿足人的主觀心理需求，從而更好的對LOD的模型進行有效合理的調(diào)度。
[0032]基于雙重約束的三維場景LOD模型的選擇調(diào)用方法的流程圖如圖1所示，該選擇調(diào)用方法具體包括以下步驟:
A.用戶通過客戶端進入三維場景。
[0033]B.獲取用戶視點坐標以及三維場景中當前物體的中心坐標。
[0034]C.計算視距111_01^&11(^，視距即用戶視點至物體之間的距離，判斷當前物體是否在用戶視野范圍內(nèi)，若在用戶視野范圍內(nèi)，進行步驟D，若不在用戶視野范圍內(nèi)則進行步驟H0
[0035]視距的計算過程為:
首先將三維場景中當前物體構(gòu)建成一個包圍體，包圍體不僅可以用于場景的管理以及碰撞測驗，更重要的是可以根據(jù)視點到包圍體的距離得到視點到物體的距離。包圍體的中心坐標 mCenterPosintion (x, y, z)，視點的坐標為 mCameraPosition (ex, cy, cz)，m_MaxLine是包圍體的最大邊長,所以視點到模型的距離m_Distance為:
【權利要求】
1.基于雙重約束的三維場景LOD模型的選擇調(diào)用方法，其特征在于包括以下步驟: A.用戶進入三維場景； B.獲取用戶視點坐標以及三維場景中當前物體的中心坐標； C.計算視距m-DISTANCE，判斷當前物體是否在用戶視野范圍內(nèi)，若在用戶視野范圍內(nèi)，進行步驟D，若不在用戶視野范圍內(nèi)則進行步驟H ； D.從數(shù)據(jù)庫中獲取當前物體的被關注信息，計算三維模型的用戶興趣度值，然后計算調(diào)用用戶所需的當前物體模型的層次序號level ； E.在步驟D獲得的用戶所需的當前物體調(diào)用模型層次序號level的基礎上，結(jié)合距離約束條件選擇調(diào)用用戶所需的當前物體的層次細節(jié)模型； F.對步驟E選用的模型進行渲染繪制； G.判斷是否遍歷三維場景中的所有物體，若是則結(jié)束，若沒有遍歷三維場景中的所有物體則轉(zhuǎn)入步驟B ； H.計算當前物體被關注信息，并更新數(shù)據(jù)庫列表，結(jié)束。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于雙重約束的三維場景LOD模型的選擇調(diào)用方法，其特征在于所述步驟D具體包括: Dl.計算三維模型的用戶興趣度 根據(jù)當前用戶、當前物體獲得關注次數(shù)、用戶訪問場景的總次數(shù)、當前物體被當前用戶關注的時間以及用戶進入場景的總時間，計算當前三維模型的用戶興趣度值interest_Ratio ； 在進行三維模型用戶興趣度的計算過程中，首先對三維模型關注頻率興趣度權值W_f和三維模型關注時間興趣度權值W_t進行設置，滿足w_f+ w_t=l ； D2.計算調(diào)用的層次序號level 根據(jù)用戶興趣度值interest_Ratio，計算調(diào)用用戶所需的當前物體模型的層次序號level ο
3.根據(jù)權利要求1所述的基于雙重約束的三維場景LOD模型的選擇調(diào)用方法，其特征在于步驟E所述距離約束選擇層次細節(jié)模型的具體方法為:設定人眼能分辨出物體形狀的最大距離d_max以及最小距離d_min,將視距m_Distance與最大距離d_max和最小距離d_min進行比較； 當m_Distance小于等于d_min時，選擇調(diào)用高一級層次序號的模型mle;ve;1+1 ；當m_Distance大于d_max時,選擇調(diào)用低一級層次序號的模型Hileve^1 ;當視距m_Distance位于最大距離d_max和最小距離d_min之間時,調(diào)用相應的層次細節(jié)模型mleve;1。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于雙重約束的三維場景LOD模型的選擇調(diào)用方法，其特征在于步驟H所述當前物體被關注信息的計算主要包括以下步驟: Hl.判斷物體是否被關注，如被關注，則進行步驟H2， H2.根據(jù)當前用戶和當前物體，計算用戶對物體的關注頻率和關注時間。
5.根據(jù)權利要求4所述的基于雙重約束的三維場景LOD模型的選擇調(diào)用方法，其特征在于步驟Hl所述物體被關注的判斷步驟為: Hll.物體進入用戶的視野范圍； H12.物體距用戶視點的距離小于某一固定的距離閾值dk ；H13. 用戶在距物體距離小于dk的范圍內(nèi)停留時間大于某一固定的時間閾值tk。
【文檔編號】G06T15/00GK103646415SQ201310719881
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權日:2013年12月24日
【發(fā)明者】劉永山, 賈大苗, 高會聰, 趙子建 申請人:秦皇島數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)研究院有限公司