三维网格模型球面反射成像技术研究

论文摘要

虚拟镜面成像技术是虚拟现实中的关键技术之一,其主要目的是为了提高虚拟环境下对3D场景进行渲染时的真实感,这就要求我们不仅需要渲染出三维模型及其在各类曲面镜下的镜面成像模型的真实效果,而且随着场景中模型的移动也可以实时地渲染出它们的动态效果。虚拟镜面成像技术在虚拟后视镜系统中扩大后视镜视野,以及电子哈哈镜的模拟等领域有着很大的应用价值。查阅大量文献后,我们发现到目前为止还没有相关的算法来实现这一虚拟环境。本文对三维网格模型球面反射成像技术进行了研究,主要工作有以下几个方面：(1)基于三角网格的三维模型球面镜像生成算法该算法首先对三维模型的球面镜像模型做出了严格的数学定义,然后在此基础上通过计算模型上每个顶点所对应的球面反射点来获得其镜像点,并在具体计算反射点位置时,采用了二分搜索法并讨论了迭代的收敛性。此外为了提高镜像模型的绘制速度,还提出了对模型进行可见性检测。实验表明该算法所产生的球面镜像效果很好,绘制速度基本达到实时性要求。(2)基于费马原理的球面镜像生成算法该算法首先对反射定律符合费马原理进行了说明,然后根据费马原理提出了一种新的定位球面镜像反射点的方法,最后结合球面镜像算法的其他步骤对镜像点进行了计算。实验表明该方法较第二章算法在绘制速度方面不具备优势但基本满足实时性要求,另外其所产生的球面镜像效果不错,为我们研究球面镜像提供了新思路。(3)基于LOD技术的球面镜像加速生成算法结合多细节层次模型(Level of Details,简称LOD)技术中渐进网格的思想对加速产生球面镜像的问题进行了研究,以增强模型成像过程中的实时性。该算法首先对渐进网格的思想进行了介绍,然后给出了渐进网格的数据结构,接着给出了模型与镜距、视距之间的关系约定,最后给出了这种加速方法的实现步骤。实验表明这种加速算法能在保持良好的真实感的基础上使得模型成像更具实时性。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 三维模型球面镜像的成像原理
• 1.2.1 球面镜
• 1.2.2 凸面镜的成像
• 1.2.3 三维模型球面镜像计算过程
• 1.3 镜像产生研究现状综述
• 1.3.1 光线跟踪计算中的镜面反射建模方法
• 1.3.2 湖面倒影成像
• 1.3.3 虚拟镜面成像效果研究
• 1.3.4 基于多窗口和多视口的传统后视镜仿真方法
• 1.3.5 电子哈哈镜的研究
• 1.4 多细节层次模型（LOD）技术及其模型生成算法概述
• 1.4.1 顶点聚类法
• 1.4.2 几何删减法
• 1.4.3 重新布点法
• 1.4.4 小波分解法
• 1.4.5 层次表示法
• 1.4.6 基于视点的简化方法
• 1.5 三角网格模型简介
• 1.5.1 定义
• 1.5.2 三角片上的点
• 1.5.3 邻域
• 1.5.4 三角网格模型文件的.ply格式
• 1.6 坐标系统及其变换
• 1.6.1 球面坐标系
• 1.6.2 柱面坐标系
• 1.7 测试数据库和性能衡量方法
• 1.7.1 测试数据库
• 1.7.2 性能衡量方法
• 1.8 论文结构
• 第二章 基于三角网格的三维模型球面镜像生成算法
• 2.1 镜像模型的数学定义及表示
• 2.2 球面镜像成像过程与相关算法
• 2.2.1 用空间剪裁实现对模型点可见性检测
• 2.2.2 模型反射点和镜像点的定位
• 2.2.3 用二分搜索计算反射点位置并讨论迭代的收敛性
• 2.3 实验结果与分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 一种基于费马原理的球面镜像生成算法
• 3.1 费马原理
• 3.2 基于费马原理的镜像反射点定位方法
• 3.3 球面镜像点的定位
• 3.4 实验结果与分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于LOD技术的球面镜像加速方法
• 4.1 LOD中渐进网格的思想
• 4.2 渐进网格数据结构描述
• 4.3 球面镜像加速的实现步骤
• 4.4 实验结果与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的科研及获奖情况
• 致谢