CN101430792A - 面向交互式移动三维图形的渐进式显示方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向交互式移动三维图形的渐进式显示方法，该方法使用C/S架构，同时使用为在移动计算终端实现高效重构三维图形而设计的细节文件结构。其步骤为：1.服务器对三维图形进行渐进式简化和细节保存；2.把简化后的基网格模型和一系列细节文件渐进传输到移动客户端；3.移动客户端读取基网格模型和一系列细节文件进行渐进式重构，具体包括顶点列表重建和面列表重建；该方法可以高效地实现交互式移动三维图形的渐进式显示，且十分适合内存小、计算能力相对较弱的移动终端。
Description
技术领域
本发明属于计算机图形数据处理领域，具体涉及一种面向交互式移动三维图形的渐进式显示方法。
背景技术
近年来，无线网络、移动计算机技术、数字家庭技术取得巨大发展，越来越多的基于移动计算技术的新应用不断涌现，其中也包括了如移动三维导航、移动产品展示、数据可视化、掌上游戏等在内的越来越多的交互式移动三维图形应用。一方面，人们对实时交互操纵三维图形的要求越来越高；另一方面，PDA、移动电话等移动计算终端计算能力和存储器容量相对较低、显示屏幕较小、电池电量有限等特点，制约着移动计算机终端交互显示高精度三维图形的能力。
当前移动三维图形研究集中关注移动终端上的交互式快速渲染技术。为了实现在移动终端上的交互式三维图形显示，目前的方法大致可以分为两类：本地渲染和远程渲染，前者使用本地的计算资源来显示三维场景，而后者则利用远程硬件渲染出三维场景再传输给移动终端进行显示。远程渲染即基于图像的渲染，很适合移动计算终端，但当用户进行交互以观察三维场景其他部分的时候，图像变形引起的失真不可避免。因此，一些移动三维图形应用为了达到更直观的显示效果和更好的交互效果，便采用本地渲染。由于移动计算终端计算能力低、电池电源有限等特性，本地渲染方法主要关注如何降低三维场景的集合复杂性。
发明内容
针对以上情况，本发明提出一种面向交互式移动三维图形的渐进式显示方法。该方法使用在移动计算终端上实现高效重构三维图形而设计的独特的细节文件结构，有效地降低了移动终端处理器和内存的使用、减少电池消耗。该方法的具体步骤如下：
1、服务器对三维图形进行渐进式简化和细节保存；
2、把简化后的基网格模型和一系列细节文件渐进传输到移动客户端；
3、移动客户端读取基网格模型和一系列细节文件进行渐进式重构，具体包括顶点列表重建和面列表重建；
所述服务器对三维图形进行渐进式简化和细节保存步骤中，先利用服务器进行渐进式网格简化以及生成细节文件的操作。其中渐进式简化共包括n步简化过程，其中每一步简化操作包括了把较高细节的模型简化为较低细节的模型，同时把简化过程中删除掉的顶点和拓扑信息保存为细节文件。渐进式简化把原模型简化成一个基网格和一系列的细节文件如下式所示：
其中M0是原模型，而Mn是基网格模型，detaili则是各层次的细节文件。
所述渐进式传输以及移动客户端的图形渐进式重构与显示步骤中，当服务器产生了基网格模型和细节文件，并渐进式传输到移动客户端之后，就可以在移动计算终端上进行渐进式重构显示。移动终端首先接收从服务器传输过来的基网格模型Mn并进行显示。由于该基网格模型无论是顶点数还是面数都比较有限，因此用户可以对该基网格模型进行交互式的操作。
当用户需要更多的图形细节时，根据用户指令，移动终端接收服务器传输过来的细节文件detailn，与Mn一起重构成上一细节层次模型Mn-1。由于增加了部分顶点和面，移动终端的交互速度肯定会稍微下降。如果Mn-1在细节程度上满足用户的需求，又或者Mn-1令交互速度下降到不太能让用户接受的程度，则用户就可以停止接收更多细节，而只用Mn-1进行交互应用操作。反之，则用户可以继续让移动终端接收更多的细节文件以重构满足其需求的图形，甚至最终重构出原模型。
渐进式重构模式如需要重构成原模型则同样包括n步重构过程，其中每一步重构操作把较低细节的模型Mi+1以及细节文件detaili+1重构为较高细节的模型Mi。一步重构操作如下式所示：
基网格模型Mn与一系列的细节文件重构成原模型M0可以用下式表示，式子中的运算符
不满***换律，表示某层次的细节文件必须与相同层次的模型配对进行重构：
由于显示越少的细节(即显示的顶点数和面数越少)则显示交互速度越快，而显示越多的细节则显示交互速度越慢，因此在交互应用过程中具体重构成哪一细节层次的模型，完全依赖于用户在交互性能与图形细节之间的需求平衡。
为实现重构三维图形而设计的独特的细节文件结构如下表所示：
| 列表1 | 从Mi简化成Mi+1过程中的保留顶点在Mi中的顶点索引值 |
| 列表2 | 从Mi简化成Mi+1过程中的被移除顶点在Mi中的顶点索引值及其三维坐标值 |
| 列表3 | Mi中所有面的信息即组成面的顶点在Mi中的顶点索引值 |
移动客户端的图形渐进式重构与显示步骤只需要使用3个数组，分别是用于显示的顶点数组和面数组，以及1个用于重构的临时顶点数组。其中显示顶点数组和临时顶点数组的长度为原模型M0的顶点个数；而显示面数组的长度为M0的面个数。移动终端上的重构显示过程包括：顶点列表重建、面列表重建。
(1)顶点列表重建
顶点列表重建即对显示顶点数组中的顶点列表进行重建，重建成上一细节层次模型的顶点列表。
首先，移动计算终端把存储在显示顶点数组中的简化模型的顶点列表复制到重构临时顶点数组中，之后，移动计算终端读取细节文件中的列表1，根据列表1中的上一细节层次模型中的顶点索引值，把简化模型的顶点放入显示顶点数组中的适当位置，最后，移动计算终端读取细节文件中的列表2，根据列表2中的被移除顶点在上一细节层次模型中的索引值和三维坐标，把被移除的顶点***到正在重建的顶点列表中的适当位置。
(2)面列表重建
所述面列表重建，即对显示面数组中的面列表进行重建，重建成上一细节层次模型的面列表。由于在顶点列表重建的过程中上一细节层次模型的所有顶点已经恢复，并且其顺序就是上一细节层次模型中的顺序，因此面列表重建只需要移动计算终端读取细节文件中的列表3，把其中的所有面的信息直接赋值给显示面数组即可，而不需要其他额外的操作。
本发明的优点在于，可以高效地实现交互式移动三维图形的渐进式显示，克服客户端内存小、计算能力相对较弱的缺点，同时能够按照用户的需求选择图形还原的逼真度。
附图说明
图1是简化过程中简化模型的顶点列表的重新排列
图2是顶点列表重建过程
图3是面向交互式移动三维图形的渐进式显示方法的流程图
图4是手模型和地形在PDA上的渐进式显示
图5是手模型和地形模型在PDA上的渐进式显示的截图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述。
常用的三维模型的文件结构包括一个顶点列表和一个面列表。在进行图形简化的时候，一部分的顶点将会被移除。为了得到一个新的通用的简化模型文件，保留下来的顶点需要重新排列，即重新建立顺序排列的索引值。在对顶点进行重新排列时，都采用如图1所示的“收缩”以及更新索引的方式。
因此，保留顶点的索引值在简化后对比简化前是改变了的。在本方法中，当模型Mi被简化为Mi+1并生成细节文件detaili+1时，细节文件detaili+1为了重构需保存这些保留顶点在Mi中的原始索引值。除此以外，被移除顶点的三维坐标信息也必须保存在细节文件中。最后，由于简化时Mi所有的原始面都会被删除，而重新建立全新的面，因此Mi的所有原始面的信息也保存在细节文件中。
detaili+1的细节文件结构如下表所示。
| 列表1 | 从Mi简化成Mi+1过程中的保留顶点在Mi中的顶点索引值 |
| 列表2 | 从Mi简化成Mi+1过程中的被移除顶点在Mi中的顶点索引值及其三维坐标值 |
| 列表3 | Mi中所有面的信息即组成面的顶点在Mi中的顶点索引值 |
列表1即简化后保留顶点在上一细节层次模型中的原始顶点索引值。例如，Mi+1中保留顶点v的当前索引值为1，而其在简化前的Mi中的索引值为3。这是因为在简化过程中，Mi顶点列表中的第1和第2个顶点被移除了，通过重新排列的操作点v排到第1位。列表1用于在重构时把Mi+1的保留顶点移动回Mi中的原始位置。列表1只包含整数值。
列表2是简化过程中被移除顶点的信息。每个顶点包括了Mi中的顶点索引值和三维坐标信息。其中的顶点索引值用于在重构时把移除顶点***Mi中顶点列表的原始位置。由于列表2包含了这些移除顶点的三维坐标值，列表2是细节文件中占数据量最大的部分。
列表3包含了Mi中所有面的信息，其中每个面包含的信息是面上各顶点在Mi中的顶点索引值，因此列表3同样只包含整数值。
如图4所示，是面向交互式移动三维图形的渐进式显示方法的流程图，主要包括以下步骤：
首先，图形在服务器端进行渐进式简化，并把每一次简化得到的信息保存在细节文件中；当移动客户端接收到服务器端传输过来的基网格模型时，客户端根据用户指令，读取细节文件。接着，对显示顶点数组中的顶点列表进行重建，重建成上一细节层次模型的顶点列表。最后，对显示面数组中的面列表进行重建，重建成上一细节层次模型的面列表。根据用户的具体要求与操作，图形显示的细节将会越来越多，并可以根据用户的要求，随时停止图形的渐进增量显示操作。
图4是手模型和地形模型在PDA上的渐进式显示。该实验以一台CPU为Intel Pentium M 1.5GHz、内存为512MB的笔记本电脑作为服务器对网格模型进行简化及生成细节文件；以一台CPU为Intel PXA255300MHz、内存为32MB的型号为Mio 336的PDA作为移动客户端进行图形的渐进式显示，并采用OpenGL ES作为本地渲染的三维显示接口。
实验以一个顶点数为2585、面数为4999的手模型，以及顶点数为5319、面数为10417的地形模型作为原模型。通过简化算法分别简化3次，生成各自对应的基网格，以及对应的各3个细节文件。
表1列出了2个基网格文件、6个细节文件、以及2个原模型文件的文件体积，显示了简化生成的基网格文件加上3个细节文件的总体积还要比原模型文件小。
表1 原模型文件、基网格文件以及细节文件的体积大小
图4显示了两个三维模型在PDA上的渐进式显示，上面由左至右是手模型从基网格渐进式显示为原模型；下面由左至右是地形模型从基网格渐进式显示为原模型。
图5是对应图4在PDA上的截图。从图4和图5可以看到，随着渐进式显示的进行，用户可以看到越来越多的三维图形细节信息。
表2和表3列出了渐进式显示的过程中各细节层次模型的顶点数、面数、移动终端上显示速度。
表2 渐进式显示过程中各细节层次手模型的数据
| 对比项 | 第3层手模型 | 第2层手模型 | 第1层手模型 | 手模型原模型 |
| 顶点数 | 677 | 958 | 1494 | 2585 |
| 面数 | 1186 | 1748 | 2819 | 4999 |
| 移动终端上显示速度 | 15.9 | 11.6 | 7.4 | 4.3 |
表3 渐进式显示过程中各细节层次地形模型的数据
| 对比项 | 第3层地形模型 | 第2层地形模型 | 第1层地形模型 | 地形模型原模型 |
| 顶点数 | 1283 | 1968 | 3104 | 5319 |
| 面数 | 2466 | 3819 | 6061 | 10417 |
| 移动终端上显示速度 | 5.6 | 3.8 | 2.5 | 1.5 |
表4列出了渐进式显示过程中各细节层次模型之间的重构时间，该时间包括读取细节文件的时间和重构模型的时间。从表4可以看出本重构方法效率很高。
表4 渐进式显示过程中各细节层次模型之间的重构时间
| 模型 | 第3层到第2层 | 第2层到第1层 | 第1层到原模型 |
| 手模型 | 310ms | 561ms | 1062ms |
| 地形模型 | 722ms | 1173ms | 2186ms |
表2和表3中原模型在移动终端上的显示速度数据表明两个模型的原模型都不太适合进行交互式显示，而通过显示基网格模型就都可以获得可以接受的交互显示速度。表4的模型重构时间则表明，当用户觉得交互速度足够快，并且需要查看更多细节信息时，移动终端可以很快速地重构出更多细节的模型。
Claims (6)
1、一种面向交互式移动三维图形的渐进式显示方法，其特征在于具体包括以下步骤：
a.服务器对三维图形进行渐进式简化和细节保存；
b.简化后的基网格模型和一系列细节文件渐进传输到移动客户端；
c.移动客户端读取基网格模型和一系列细节文件进行渐进式重构，具体包括顶点列表重建和面列表重建。
2、根据权利要求1所述的面向交互式移动三维图形的渐进式显示方法，其特征在于：所述的服务器的渐进式简化和细节保存中，先利用服务器进行渐进式网格简化及生成细节文件的操作；渐进式简化共包括n步简化过程，其中每一步简化操作包括了把较高细节的模型简化为较低细节的模型，同时把简化过程中删除掉的顶点和拓扑信息保存为细节文件；最后简化得到的是一个基网格和一系列的细节文件。
3、根据权利要求1所述的面向交互式移动三维图形的渐进式显示方法，其特征在于：所述移动客户端的图形渐进式重构与显示中，当从服务器传输基网格模型到移动终端上进行显示后，如需要重构显示更多细节，则只需继续传输一系列的细节文件进行增量显示。
4、根据权利要求1所述的面向交互式移动三维图形的渐进式显示方法，其特征在于：所述读取细节文件中，当用户需要更多的图形细节时，根据用户指令，移动终端接收服务器传输过来的细节文件detailn，与Mn一起重构成上一细节层次模型Mn-1；如果Mn-1在细节程度上满足用户的需求，又或者Mn-1令交互速度下降到不能让用户接受的程度，则用户就可以停止接收更多细节；反之，则用户可以继续让移动终端接收更多的细节文件以重构满足其需求的图形，甚至最终重构出原模型。
5、根据权利要求1所述的面向交互式移动三维图形的渐进式显示方法，其特征在于：所述的顶点列表重建中对显示顶点数组中的顶点列表进行重建，重建成上一细节层次模型的顶点列表；首先，移动计算终端把存储在显示顶点数组中的简化模型的顶点列表复制到重构临时顶点数组中；之后，移动计算终端读取细节文件中的列表1，根据列表1中的上一细节层次模型中的顶点索引值，把简化模型的顶点放入显示顶点数组中的适当位置；最后，移动计算终端读取细节文件中的顶点列表，把被移除的顶点***到正在重建的顶点列表中的适当位置。
6、根据权利要求1所述的面向交互式移动三维图形的渐进式显示方法，其特征在于：所述的面列表重建中对显示面数组中的面列表进行重建，重建成上一细节层次模型的面列表，把细节文件中列表3所有面的信息直接赋值给显示面数组即可，而不需要其他额外的操作。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20090513 |