大規(guī)模森林場景的實時繪制及動態(tài)模擬.pdf

1、自然場景的實時高保真繪制是計算機圖形學的主要研究方向之一，在數(shù)字娛樂和虛擬仿真等方面有著廣泛的應用。大規(guī)模動態(tài)森林場景是自然場景不可或缺的重要組成部分。由于其巨大的數(shù)據(jù)量和極高的計算復雜度導致目前的計算系統(tǒng)難以實時地處理這類場景。因此，如何實時繪制和模擬大規(guī)模動態(tài)森林場景已成為圖形學的一個挑戰(zhàn)性問題。
　　 大規(guī)模森林場景的實時繪制和動態(tài)模擬的困難主要在于兩個方面：一是其龐大的數(shù)據(jù)規(guī)模需要耗費巨大的內(nèi)外存資源，二是千萬級甚至億級

2、的可見面片需要實時處理?，F(xiàn)有的算法尚不足以實時處理規(guī)模在10萬棵樹以上的森林場景。為此，本論文提出了一套完全基于GPU的森林場景優(yōu)化、繪制和動態(tài)模擬方法。其基本思路是利用圖像與幾何的混合方式來表達樹模型，經(jīng)樹模型實例化的森林場景被自適應地組織成為適合GPU并行處理的深度圖像塊流(Depth Quad Stream)，這些深度圖像塊既可用于視點相關的森林繪制，又可過程式地隨風力變化改變位置來模擬樹木的運動效果。實驗結果表明，所提出的方法在

3、低存儲空間消耗、低顯存消耗、低CPU工作負載的情況下實現(xiàn)了規(guī)模從數(shù)十萬棵樹至上百萬棵樹森林場景的實時繪制和動態(tài)模擬。本論文的主要貢獻包括以下三個方面：
　　 ●提出了一種基于深度圖像并適用于GPU并行計算的樹模型表達方式。樹模型是森林場景的基本元素，其數(shù)據(jù)復雜度直接關系到森林場景實時繪制和動態(tài)模擬的效率。我們多方向地采樣幾何樹模型獲取深度圖像，然后對深度圖像進行剖分建立帶紋理的多分辨率深度網(wǎng)格。通過遍歷鄰近采樣方向的深度網(wǎng)格，即

4、可快速地繪制出逼真的樹木。這種表達方法的優(yōu)點是繪制效率與原幾何模型的復雜度無關，僅與深度塊的數(shù)量相關。而且可借助于GPU的并行流水線進行加速，在近距離觀察時能很好地還原樹模型的幾何細節(jié)，遠距離觀察時可以達到Billbord的效率。
　　 ●提出了一種采用GPU加速的大規(guī)模森林場景表達和實時繪制算法。繪制大規(guī)模森林場景的困難在于內(nèi)外存耗費巨大、需實時處理大量的面片。通過樹模型的實例化，我們將可見樹木自適應地組織成為適合GPU并行處

5、理的深度圖像塊流，以此來表達視點相關的森林場景。深度圖像塊流的組織形式極大地減少了森林場景的數(shù)據(jù)存儲復雜度和可見面片數(shù)量。有效緩解了CPU與GPU之間頻繁數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。實驗結果表明所提出的方法能夠以200MB存儲空間和近2，000MB顯存空間的代價實現(xiàn)規(guī)模高達100萬棵樹的森林場景的實時繪制。
　　 ●提出了一種基于GPU的大規(guī)模森林場景過程式動態(tài)模擬方法。大規(guī)模森林場景龐大的面片數(shù)導致了難以實時模擬其運動效果。由于我們分別采