大規(guī)模森林場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制及動(dòng)態(tài)模擬.pdf

1、自然場(chǎng)景的實(shí)時(shí)高保真繪制是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)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(yīng)用。大規(guī)模動(dòng)態(tài)森林場(chǎng)景是自然場(chǎng)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(jì)算復(fù)雜度導(dǎo)致目前的計(jì)算系統(tǒng)難以實(shí)時(shí)地處理這類場(chǎng)景。因此，如何實(shí)時(shí)繪制和模擬大規(guī)模動(dòng)態(tài)森林場(chǎng)景已成為圖形學(xué)的一個(gè)挑戰(zhàn)性問題。
　　 大規(guī)模森林場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制和動(dòng)態(tài)模擬的困難主要在于兩個(gè)方面：一是其龐大的數(shù)據(jù)規(guī)模需要耗費(fèi)巨大的內(nèi)外存資源，二是千萬級(jí)甚至億級(jí)

2、的可見面片需要實(shí)時(shí)處理。現(xiàn)有的算法尚不足以實(shí)時(shí)處理規(guī)模在10萬棵樹以上的森林場(chǎng)景。為此，本論文提出了一套完全基于GPU的森林場(chǎng)景優(yōu)化、繪制和動(dòng)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(dá)樹模型，經(jīng)樹模型實(shí)例化的森林場(chǎng)景被自適應(yīng)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(diǎn)相關(guān)的森林繪制，又可過程式地隨風(fēng)力變化改變位置來模擬樹木的運(yùn)動(dòng)效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的方法在

3、低存儲(chǔ)空間消耗、低顯存消耗、低CPU工作負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)了規(guī)模從數(shù)十萬棵樹至上百萬棵樹森林場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制和動(dòng)態(tài)模擬。本論文的主要貢獻(xiàn)包括以下三個(gè)方面：
　　 ●提出了一種基于深度圖像并適用于GPU并行計(jì)算的樹模型表達(dá)方式。樹模型是森林場(chǎng)景的基本元素，其數(shù)據(jù)復(fù)雜度直接關(guān)系到森林場(chǎng)景實(shí)時(shí)繪制和動(dòng)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(duì)深度圖像進(jìn)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(dá)方法的優(yōu)點(diǎn)是繪制效率與原幾何模型的復(fù)雜度無關(guān)，僅與深度塊的數(shù)量相關(guān)。而且可借助于GPU的并行流水線進(jìn)行加速，在近距離觀察時(shí)能很好地還原樹模型的幾何細(xì)節(jié)，遠(yuǎn)距離觀察時(shí)可以達(dá)到Billbord的效率。
　　 ●提出了一種采用GPU加速的大規(guī)模森林場(chǎng)景表達(dá)和實(shí)時(shí)繪制算法。繪制大規(guī)模森林場(chǎng)景的困難在于內(nèi)外存耗費(fèi)巨大、需實(shí)時(shí)處理大量的面片。通過樹模型的實(shí)例化，我們將可見樹木自適應(yīng)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(dá)視點(diǎn)相關(guān)的森林場(chǎng)景。深度圖像塊流的組織形式極大地減少了森林場(chǎng)景的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)復(fù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的方法能夠以200MB存儲(chǔ)空間和近2，000MB顯存空間的代價(jià)實(shí)現(xiàn)規(guī)模高達(dá)100萬棵樹的森林場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制。
　　 ●提出了一種基于GPU的大規(guī)模森林場(chǎng)景過程式動(dòng)態(tài)模擬方法。大規(guī)模森林場(chǎng)景龐大的面片數(shù)導(dǎo)致了難以實(shí)時(shí)模擬其運(yùn)動(dòng)效果。由于我們分別采