基于GPU的嵌入式三维建模的研究

论文摘要

三维建模是近年来发展极其迅速的一门科学,随着技术的不断发展,目前已经达到了一个相当高的水平,甚至在很多的高品质的细腻动画上使用的都是计算机建立的模型。三维建模可以大大节约产品研发成本、加快研发进度。随着目前嵌入式硬件的集成度的迅速提高,低成本、低功耗的多媒体芯片已经成为很多嵌入式平台的首选。针对这种平台的高扩展性能,以前不能进行的嵌入式复杂三维建模现在可以通过使用可编程图形处理器实现。由于图形界面的良好的表现力,基于GPU的嵌入式三维平台必将成为嵌入式平台发展的方向。根据对计算机图形硬件执行三维建模的研究,将一些基本理论引入嵌入式系统。本文通过对三维建模理论、可编程图形硬件、嵌入式GPU内部数据规范的研究,找到了一种在嵌入式多媒体平台上进行较复杂三维建模的方法。这种方法具有普遍可适应性,为嵌入式系统平台上进行较复杂的三维建模提供了解决方案。最后,本文对嵌入式系统平台上进行三维建模所要注意的重点问题进行了详细分析和研究。首先,比较详细地介绍了三维建模的基本理论基础,重点对计算机三维模型的表示及计算机建模及渲染流程进行了研究。针对GPU的特点、流数据处理原理以及模型渲染流程,阐述了在计算机中GPU是如何进行实时三维建模及渲染的。这也是嵌入式系统上运用GPU进行三维建模的基础。其次,通过对嵌入式系统GPU的流数据处理模式的研究,详细地分析和研究了GPU的内部数据流及其数据规范,这是进行GPU三维建模的理论基础。也正是出于对数据规范的理解,设计了针对嵌入式GPU的数据转换算法,这是将较复杂的计算机模型引入嵌入式系统平台的理论根本,这种算法也为在嵌入式系统上进行较复杂三维建模提供了一个简单可行的解决方法。随后,在模型数据库的建立过程中,由于模型源文件是多边形模型,本文在这里设计了多边形三角化算法。针对嵌入式GPU的数据流特点,设计了基于16进制和2进制的三维模型数据库的结构,将三维模型数据的提取和建立从嵌入式系统内部数据处理的流程中分离出来。最后,用实验的方法验证了这种嵌入式三维建模方法的可行性,以及它的性能。实验的验证平台是一个基于多媒体芯片ZEVIO 1020的三维开发板,运用本文设计的算法及理论原理,在嵌入式系统平台上创建一个三维建模程序,对GPU编程完成了嵌入式系统上的三维建模过程。本文设计的针对嵌入式系统平台的三维模型方案,运用计算机丰富的三维模型资源,大大降低了嵌入式平台三维建模难度,充分利用了GPU的流数据处理功能,在嵌入式系统平台上实现了较复杂三维模型的建模。这种方法在其它的嵌入式多媒体平台上也具有较强的适应性。

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摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 课题背景

1.1.1 计算机图形学发展现状

1.1.2 嵌入式三维建模的发展现状

1.1.3 GPU发展历程及现状

1.2 课题研究的目的及意义

1.3 论文内容安排

第2章计算机三维建模基础

2.1 计算机三维模型

2.1.1 计算机三维视觉

2.1.2 三维模型的表示

2.1.3 计算机三维建模

2.2 3D流水线

2.2.1 局部坐标到世界坐标

2.2.2 世界坐标到相机坐标

2.2.3 物体剔除和背面消除

2.2.4 相机坐标到透视坐标

2.2.5 透视坐标到屏幕坐标

2.2.6 光栅化

2.3 GPU技术原理及编程

2.3.1 GPU的特点

2.3.2 GPU流水线

2.3.3 可编程GPU的编程模型

2.3.4 基于GPU的三维渲染

2.3.5 Cg语言

2.4 本章小结

第3章基于GPU的嵌入式三维建模

3.1 嵌入式 GPU技术

3.1.1 嵌入式系统基本结构

3.1.2 嵌入式GPU内部数据流

3.1.3 嵌入式GPU数据规范

3.2 基于嵌入式GPU的建模算法

3.2.1 模型三角化算法

3.2.2 数据转换算法

3.3 基于GPU的三维建模的设计思路

3.3.1 基于GPU的模型数据库设计

3.3.2 基于GPU的嵌入式三维建模程序的设计

3.4 本章小结

第4章基于GPU的嵌入式三维建模仿真

4.1 嵌入式三维建模设计

4.1.1 嵌入式硬件平台

4.1.2 OBJ模型文件数据提取

4.1.3 GPU初始化

4.2 ADS集成开发环境

4.2.1 交叉编译

4.2.2 ARM Multi-ICE仿真器

4.2.3 ADS和Multi-ICE的基本开发流程

4.3 三维模型显示程序的仿真

4.3.1 仿真参数设置

4.3.2 安装Multi-ICE

4.3.3 仿真过程详解

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士论文期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

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