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基于公告板云三维模型简化技术的研究与实现

基于公告板云三维模型简化技术的研究与实现

作者：景晨阳东南大学

学位级别：硕士

随着技术的快速发展,三维模型广泛应用在影视动画、3D游戏、计算机辅助设计、地理信息系统等领域,带给人们更逼真的效果与更友好的交互。可是,随着三维模型复杂度的不断增加,这样不仅会占用更大的存储空间,也会耗费更多的计算资源。尤... 详细信息

随着技术的快速发展,三维模型广泛应用在影视动画、3D游戏、计算机辅助设计、地理信息系统等领域,带给人们更逼真的效果与更友好的交互。可是,随着三维模型复杂度的不断增加,这样不仅会占用更大的存储空间,也会耗费更多的计算资源。尤其是在实时渲染领域,为了保证能够和用户友好交互,必须在一定时间内完成绘制,这就要求在实际应用中既能够在一定程度上保持三维模型的视觉效果,同时还要能够提高三维模型的绘制效率。因此,对模型简化算法的研究具有极高的学术和应用价值。本文综合研究了现有的三维模型简化算法,在公告板云算法基础上,从平面优化、纹理优化以及缝隙优化三个方面改进原算法,以求既能在极限简化三维模型的同时,也能最大程度保持原三维模型的几何特征。(1)平面优化公告板云算法的核心就在于选取合适的公告板平面,原算法中在平面选取的质量以及绘制效率上仍然存在改进空间。因此为了避免简化后平面出现狭长区域或者碎点,本文引入法向量偏移量;为了提高简化模型的观感效果,本文引入平面水平量,尽量避免生成的公告板是水平面;为了使原算法中的公告板平面更具代表性,本文在筛选平面时引入距离权重,改善公告板平面的简化质量。在最终拟合平面时引入SVD拟合平面方法,确保算法筛选的有效点集到拟合的平面距离最小。同时平面优化也考虑了算法的效率,引入公告板平面多边形处理,提高公告板云绘制的效率。(2)纹理优化公告板云方法简化带有细节的模型时,表面会丢失许多细节,除非选取的纹理分辨率相当大。因此本文在进行纹理投影时将使用超采样技术提高纹理贴图的质量。对于带有透明度的模型在进行纹理投影时,本文将使用透明度次序无关渲染生成正确混合的纹理贴图。(3)缝隙优化公告板云算法的思想是将模型中满足误差条件的面片集合投影公告板平面上,如果一个共享多个面的顶点被简化到一个平面,这样不可避免会出现缝隙。当简化曲面的时候裂缝显得非常明显,会严重丢失原始模型的几何特征。因此本文将引入关联投影以减少缝隙的数量。对于模型中易分离的曲面部分,将采用基于LOD的曲面简化方法,以求最大程度保存原始模型的几何特征。该算法根据距离原则,由远及近依次采用固定轴向的公告板、替代物以及改进的QEM简化算法来对分离的三维模型进行简化。经实验验证,本文针对公告板云算法的不足提出的改进方案有效且改进后的算法绘制效率较原来提高约5%,简化效果也优于原算法。

关键词：三维模型简化公告板云实时渲染

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基于最小面积差的三维模型简化算法

集成技术 2014年第5期3卷 28-36页

作者：祁成武张宇婷舒振宇胡超徐惠霞浙江大学宁波理工学院信息科学与工程学院宁波315100 浙江万里学院数学研究所宁波315100

文章提出了一种基于面积误差度量下的三维网格模型简化方法。该方法通过极小化误差目标函数来简化三角网格模型。算法首先对边遍历,计算每条边的最小面积差;然后对面积差最小的边进行折叠;最后通过求解折叠边的最小面积差,确定新点的坐... 详细信息

文章提出了一种基于面积误差度量下的三维网格模型简化方法。该方法通过极小化误差目标函数来简化三角网格模型。算法首先对边遍历,计算每条边的最小面积差;然后对面积差最小的边进行折叠;最后通过求解折叠边的最小面积差,确定新点的坐标。实验结果表明,该算法不仅可以反映局部表面几何变化,还可使模型仍具有较高保真度。最后用实例说明了该方法的有效性。

关键词：三维模型简化 QEM 最小面积差

基于Unity3D的数字孪生交通仿真系统研究与实现

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基于Unity3D的数字孪生交通仿真系统研究与实现

作者：李成林烟台大学

学位级别：硕士

随着我国城市化的快速推进和家用车辆数量的飞速增长,城市交通在安全性和效率上面临着巨大挑战。现实交通路况难以为交通仿真研究提供一致性和可控性仿真环境,导致无法全方位复现复杂多样的交通仿真条件,在公共道路或封闭测试场地重现... 详细信息

随着我国城市化的快速推进和家用车辆数量的飞速增长,城市交通在安全性和效率上面临着巨大挑战。现实交通路况难以为交通仿真研究提供一致性和可控性仿真环境,导致无法全方位复现复杂多样的交通仿真条件,在公共道路或封闭测试场地重现各种交通情形和极端条件下的模拟实验同样面临安全风险和成本过高的问题。为了实现安全、可控、可重复以及低成本的交通仿真研究,本文结合Unity3D引擎和数字孪生技术,充分考虑交通环境的真实性、车辆行为的模拟准确性、系统性能和可视化展示效果,提出了一种基于Unity3D的数字孪生交通仿真系统,通过虚拟仿真的方式,解决传统道路测试功能不全面、安全性不足以及成本高昂的问题。通过有效的数据处理、建模技术和算法设计,实现交互式多场景的多软件联合仿真。本文主要工作如下:(1)本文使用3ds Max和Unity3D联合搭建了虚拟交通仿真场景,使用Car Sim设计并验证了仿真车辆数据真实性。结合数字孪生技术,实现多个仿真软件之间实时的数据连接和状态交互,将以往的仿真数据变成可视化的车辆仿真行为,直观的展示了车辆跟驰、车辆换道和泊车的过程。(2)本文结合模型预测控制器出色的约束处理能力,提出一种基于主动前轮转向和转矩动态分配的路径跟踪控制器,加入了横摆稳定性约束、侧偏角软约束以及附加横摆力矩控制,防止车辆在高速行驶中前轮转角过大降低轨迹跟踪能力或轮胎侧偏力饱和发生侧滑。通过Simulink/Car Sim在双移线工况下的路径跟踪仿真结果表明,经过约束的控制器有效提高了对车辆的横向跟踪、侧向速度、横摆角速度和前轮转角的控制精度。(3)本文结合数字孪生思想,在虚拟交通仿真系统中开展了视觉算法仿真训练研究。建立服务端实时读取仿真场景中摄像头数据,进行车道线提取与周围环境检测。同时编译制图软件,通过内存共享机制,读取仿真场景中激光雷达数据,实时绘制车辆行驶道路。(4)本文提出了一种基于结构特征保持的QEM模型简化算法,该算法优先进行平面过滤和保结构收缩处理,对平面网格进行降噪的同时增强尖锐的边缘特征;通过顶点邻接的三角形面元围成的四面体体积的平方和确定最小收缩代价,并设置点对距离阈值优化简化效率。同时结合细节分层思想,实现了更完整的模型优化理论。实验结果表明,该算法有效提高了场景加载速度以及系统运行帧数,保证了仿真过程的稳定性。

关键词：交通仿真数字孪生模型预测控制轨迹跟踪三维模型简化

基于Skyline的三角形快速折叠方法研究

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舰船电子工程 2024年第5期44卷 185-188页

作者：赵露露胡焜中国电子科技集团公司第二十研究所西安710068 西北工业大学西安710072

随着各种三维建模软件模型数据量越来越复杂,传统的网格简化算法受到海量三维模型数据量严重挑战,大型三维模型高效简化成为Web端军事推演虚拟试验可视化的迫切需求。为了提升模型简化的效率,论文引入Skyline思想,提出了基于Skyline的... 详细信息

随着各种三维建模软件模型数据量越来越复杂,传统的网格简化算法受到海量三维模型数据量严重挑战,大型三维模型高效简化成为Web端军事推演虚拟试验可视化的迫切需求。为了提升模型简化的效率,论文引入Skyline思想,提出了基于Skyline的三角形快速折叠算法TMF-Skyline以保持原始模型始终朝着折叠收敛速率最大的方向进行折叠。最后通过与边折叠算法和三角形折叠算法进行比较,展示了该算法在大型三维模型数据的简化任务中具有更快的折叠速度性能。

关键词：三维模型简化 Skyline 快速折叠

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面向移动终端的三维建筑物模型简化方法

计算机应用研究 2019年第2期36卷 615-620页

作者：王权宋春花牛保宁太原理工大学计算机科学与技术学院太原030024

目前,针对单体建筑物的模型简化算法主要考虑单独简化墙面和屋顶房檐结构。但对于建筑物组,这些方法忽视邻接建筑物的特征以及与周围特征间的相互连接关系。针对这些问题,利用屋顶结构特征,提出一种能自动生成保持建筑物组结构特征的模... 详细信息

目前,针对单体建筑物的模型简化算法主要考虑单独简化墙面和屋顶房檐结构。但对于建筑物组,这些方法忽视邻接建筑物的特征以及与周围特征间的相互连接关系。针对这些问题,利用屋顶结构特征,提出一种能自动生成保持建筑物组结构特征的模型简化方法。通过底面平面图的邻接关系将建筑物分割成不同的结构部分,通过判断屋顶特征,采用自顶向下的投影方法,重构建筑物模型,最后将各部分联合形成简化模型。实验表明,该简化方法在建筑物的顶层和墙面特征较好保留的基础上,能充分利用模型的拓扑结构,用较少的数据量描述模型,生成适合移动端应用需求的精度模型。

关键词：三维模型简化建筑物模型重构屋顶房檐结构移动终端

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面向移动终端的三维建筑物模型简化方法研究

面向移动终端的三维建筑物模型简化方法研究

作者：王权太原理工大学

学位级别：硕士

建筑物作为数字城市中最主要的建模对象,模型的精细程度直接关系到三维城市模型应用的质量和效率。然而由于图形硬件计算能力的增长远落后于日益激增的三维数据规模,导致复杂几何模型难以被快速的绘制,这在很大程度上限制了它在移动端... 详细信息

建筑物作为数字城市中最主要的建模对象,模型的精细程度直接关系到三维城市模型应用的质量和效率。然而由于图形硬件计算能力的增长远落后于日益激增的三维数据规模,导致复杂几何模型难以被快速的绘制,这在很大程度上限制了它在移动端资源受限设备上的广泛应用。另外,已有建筑物模型自动简化算法大多针对单体模型,保留主体轮廓特征减少冗余。对于常见的建筑物组,由于组成建筑物组模型的各个部分之间存在邻接关系,采用单体简化法处理往往导致简化模型主体特征丢失严重。因此,如何依据模型结构复杂度不同,选择简化算法定量优化模型的细节特征,最大程度地保留模型主体结构消除冗余特征,以符合人类的视觉认知水平,是计算机图形学与数字城市地理信息系统领域中重要的研究课题。当前,PC端设备能高效地展示精细三维建筑模型,但由于移动终端资源受限的原因,PC端模型不能直接在移动端渲染计算。与PC端设备相比,手机、平板等资源受限的移动终端在可视化中需要对精细模型进行简化,减少建模数据量,提高建模速度。面向移动端建筑物三维模型重建简化方法有三种:(1)建筑物全部用低层级模型表示;(2)城市中重要的建筑物用高层级模型表示,其它的用低层级模型表示,相互区分;(3)二维地图中,将城市中重要的建筑物用带纹理的高层级模型表示,其它的运用二维表示。为了满足移动端可视化要求,研究方向聚焦在减少数据量和优化实时渲染,以达到平衡模型精度和移动设备性能的目的。从移动端建模特点考虑,构建多层级模型,便于合理地调用模型,能最大化的减少模型传输和提高渲染速度。本文研究在原始模型基础上,结合移动终端平台特性,改进了经典简化算法,提出一种能自动生成保持建筑物组结构特征的模型简化算法。依据底面平面图剖分复杂建筑物模型,得到子单元部分,依据子单元部分的屋顶结构继续划分,判断顶部结构是平顶还是斜顶,采用自顶向下的投影方法,重构建筑物模型,最后将各部分联合形成简化的完整模型。实验从模型顶点数、面片数、存储大小和对应数据压缩比,以及外观相似性方面评价几何模型简化质量。相比其他经典算法,在保持外观特征的前提下,本文简化法数据压缩比较高,具体压缩比随着模型的复杂程度变化。实验结果表明本文提出的简化法,在保持建筑物主体轮廓特征的基础上,充分利用屋顶的几何结构,得到冗余度较少的墙体部分,重建得到移动端需求的较低层级模型。

关键词：数字城市建筑物模型移动终端多层级模型三维模型简化

基于用户关注区域的三维模型渐进式传输方法研究

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基于用户关注区域的三维模型渐进式传输方法研究

作者：张清辰西南大学

学位级别：硕士

随着网络技术与计算机图形学的发展,三维模型已经在虚拟现实、医学立体影像处理、三维影视产业、地理信息系统等领域得到广泛应用。三维扫描技术的发展使得三维模型绘制越来越精确、复杂,三维模型数据的复杂性给网络传输带来了巨大压力... 详细信息

随着网络技术与计算机图形学的发展,三维模型已经在虚拟现实、医学立体影像处理、三维影视产业、地理信息系统等领域得到广泛应用。三维扫描技术的发展使得三维模型绘制越来越精确、复杂,三维模型数据的复杂性给网络传输带来了巨大压力,当前互联网的传输速度远不能满足三维模型实时传输的要求。解决这个问题的一个有效途径是采用三维模型的渐进式传输方法。三维模型渐进式传输首先把三维模型进行多分辨率分解,得到基础模型和一系列层次细节,然后逐步传输基础模型和层次细节。接收端在接收到基础模型后即可进行显示、交互操作,无需长久等待。随着细节传输的增加,接收到的模型逐步完善,最终达到原始模型效果。围绕三维模型渐进式传输的各个环节,本文从三个方面进行了研究： 1、在三维模型渐进式传输过程中,基础模型由三维模型简化操作获得。目前存在的三维模型简化算法在简化过程中,容易丢失模型的重要几何特征,尤其是原始模型的尖锐区域,导致基础模型的视觉失真。针对此问题,本文提出一种基于高斯曲率的三维模型简化算法,在边折叠简化算法的基础上,将高斯曲率作为简化因子,有效地保留模型的重要细节特征,提高基础模型的视觉逼真度。 2、目前存在的三维模型简化算法均从模型的整体出发,只注重保持模型的整体特征,导致重要的局部特征容易被简化掉。依据心理物理学对人类认知过程的研究表明：人类在认识事物的过程,首先关注事物的整体轮廓,其次要依赖于分割,将一个复杂物体分割成几个简单的部分。在分割完成后,人们更加关注事物的重要的局部特征。然而,当前存在的简化算法没有有效地保留模型的局部特征,得到的基础模型不符合人类对事物的认知过程。针对这个问题,本文以基于高斯曲率的三维模型简化算法为基础,提出一种局部特征保持的三维模型简化算法,首先将模型分割成独立的子块,进而利用基于高斯曲率的三维模型简化算法对每个子块进行独立简化。实验表明,该算法在保证模型整体轮廓不变的前提下,有效保持了模型的局部特征。 3、实现三维模型渐进式传输需要在简化过程中生成细节文件,以保留简化信息,由此可获得恢复模型的层次细节。然而当前存在的细节文件生成方法没有考虑用户关注区域的优先还原的重要性,导致传输与还原的效率低下。针对该问题,本文以局部特征保持的三维模型简化算法为基础,提出一种基于用户关注区域的三维模型渐进式传输算法,首先预测用户对模型各个区域的关注程度,根据用户对每个区域的关注程度决定细节信息在细节文件中的顺序,在此基础上不断传输细节文件,实现基于用户关注区域的三维模型渐进式传输。实验表明,该算法在还原时,只需要传输少量简化信息即可对用户关注的区域进行优先还原,再逐步还原其他区域,更加符合人类认知习惯。

关键词：三维模型网格分割三维模型简化渐进式传输渐进网格

基于Hadoop的三维城市模型数据处理框架设计

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基于Hadoop的三维城市模型数据处理框架设计

作者：黄欣南京大学

学位级别：硕士

伴随着智慧城市的建设,三维城市模型在城市规划,灾害管理,空间信息分析,公共事务等领域中起到了广泛的应用,随着计算机处理能力的增强,个人手持设备的普及和网络技术的发展,将三维城市模型服务推广到普通用户中在技术上变得逐渐可行,人... 详细信息

伴随着智慧城市的建设,三维城市模型在城市规划,灾害管理,空间信息分析,公共事务等领域中起到了广泛的应用,随着计算机处理能力的增强,个人手持设备的普及和网络技术的发展,将三维城市模型服务推广到普通用户中在技术上变得逐渐可行,人们对基于三维城市模型信息服务的需求也越发旺盛。然而,三维城市模型的固有特点给其应用的实现与推广造成了一定的困难。城市本身面积大,空间信息复杂,因此三维城市模型的数据量很庞大;三维城市模型的应用非常广泛,因此它需要进一步整合许多不同领域,不同用途的数据以应对多样化的应用需求;城市人口众多,三维城市模型相关服务的潜在用户数量巨大,这为服务提供商的服务器和网络带来了很大的压力。本文提出了一个三维城市模型应用的框架,利用最新的技术和标准,试着在以下几个方面克服上述困难：(1)调查三维城市模型的应用现状,相关研究工作,以及相关标准与文件格式,寻找一些开放,通用,适应性强的模型标准,并尝试将一些广泛使用的模型数据格式整合进来,以应对三维城市模型应用需求多样化的特点。(2)学习当今流行的海量数据处理技术,使用Hadoop平台搭建一个云计算集群,利用它处理海量数据的能力解决三维城市模型数据量大,难以处理的困难。(3)针对用户端难以处理大规模三维城市模型的问题,设计一个三维城市模型简化算法,在保持一定视觉效果的前提下简化三维模型,降低其复杂度,使普通用户的个人设备能处理它。将简化算法纳入MapReduce并行计算框架,使用前面搭建的Hadoop云计算集群运行该模型简化算法。(4)我们选择三维城市模型相关应用中最基础的可视化应用,使用近几年新出现的HTML5标准和X3DOM技术,实现基于Web的三维城市模型可视化,使用户在不安装专用客户端或插件的情况下,使用浏览器观察,游览虚拟三维城市场景。最后,通过实验测试我们基于Hadoop的三维城市模型简化系统,分别验证该模型简化算法的压缩率和它保持模型外观特性的程度,以及MapReduece计算框架和Hadoop平台处理体积较大的三维城市模型的性能。实验结果表明我们的简化算法能在保持大部分模型外观特性的基础上降低其复杂度,同时,利用Hadoop集群,简化算法能在较短时间内有效处理大量模型数据。

关键词：三维城市模型 Hadoop CityGML X3DOM 三维模型简化

面向虚拟仿真系统的网格模型简化与优化算法研究

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面向虚拟仿真系统的网格模型简化与优化算法研究

作者：李世俊东南大学

学位级别：硕士

目前,随着计算机硬件性能的日益增进,虚拟仿真系统在工业、军事、航空航天和城市规划等领域发挥着重要作用。三维模型是虚拟仿真系统的必备要素,随着仪器测量技术越来越精细,建模人员已经可以通过扫描真实物体后进行三维重建,大大提高... 详细信息

目前,随着计算机硬件性能的日益增进,虚拟仿真系统在工业、军事、航空航天和城市规划等领域发挥着重要作用。三维模型是虚拟仿真系统的必备要素,随着仪器测量技术越来越精细,建模人员已经可以通过扫描真实物体后进行三维重建,大大提高了建模效率。但是另一方面,该方法得到的模型往往十分精细,不利于大型虚拟仿真系统的实时渲染,因此对模型进行简化显得尤为必要。本文基于QEM（quadric error metric）算法研究了一种特征与纹理保持的网格模型简化算法,大简化率下较好地保留了模型的细节特征与重要纹理;同时研究了一种基于Voronoi多边形的网格优化算法,提高了模型的网格质量。本文的主要研究内容及成果包括:1.本文对传统的QEM算法进行改进,在边折叠代价中融合顶点尖锐度因子,较好地解决模型简化过程中细节易丢失的问题。实验结果显示,相对于QEM算法,本文改进算法能更有效地保留模型的细节特征。2.本文对模型简化算法中纹理视觉效果的保留进行了优化,在边折叠代价中融合顶点纹理显著度因子,在不改变算法复杂度的前提下,有效地保留更多重要的纹理信息。实验结果显示,相比于仅使用QEM边折叠代价,本文算法能更多地保留纹理的完整性。3.在简化的基础上,本文还研究了一种网格局部优化算法,解决简化后网格质量不高的问题。结合曲面参数化思想和基于Voronoi多边形的平面网格优化算法,本文将Voronoi多边形应用至空间网格,达到了对模型局部优化的目的。实验结果显示,本文算法可以显著提高模型的整体网格质量。4.本文利用C#和maxscript脚本,开发出一套适用于3ds max的网格模型简化插件,实现了模型的制作与简化无缝对接,提高了建模人员的效率,将算法落到了实处。

关键词：三维模型简化边折叠顶点尖锐度网格优化