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文檔簡介
1、自由變形是一種幾何模型編輯和柔性體動畫生成的方法。由于其簡單、直觀、且與模型的表示無關,所以被廣泛應用于計算機動畫、計算機輔助設計與工程、計算機視覺、科學計算可視化等各個領域,并且已經被集成到諸多主流商業(yè)三維動畫軟件中。
變形采樣是自由變形方法中尚未解決的一個問題。傳統(tǒng)方法中,變形作用于模型的采樣點,變形結果的質量受采樣密度的影響。精確自由變形則是將模型的每一個平面片變形為一個三角Bézier曲面片或者裁剪Bézier曲面片,
2、得到了多邊形物體的精確變形結果,解決了由于采樣密度不足而造成的幾何走樣問題。但是,精確自由變形計算量巨大,難以實現交互或實時的變形編輯,從而限制了其應用;此外,由于精確自由變形方法僅考慮了多邊形物體的幾何變形,忽略了其法向場的變形,使得變形結果不光滑。結合當代GPU通用計算能力的不斷提升,本文從變形效率和變形效果兩個方面著手,開展了基于GPU的自由變形反走樣研究,取得了如下研究成果:
提出了基于GPU的實時精確自由變形方法,變
3、形結果為裁剪Bézier曲面片。通過分析精確自由變形中的大量B-樣條體求值、Bézier曲面片控制頂點計算、Bézier曲面片三角化等復雜運算之間關聯性,設計了基于GPU的高度并行算法,高效地實現上述復雜運算;并且采用OpenGL中VertexBuffer Object繪制最終結果,避免了CPU和GPU之間的大量數據傳輸。實驗結果表明,GPU加速算法比CPU算法快兩個數量級,滿足了精確自由變形的實時交互要求。
提出了基于GPU
4、的精確自由變形進一步加速方法,變形結果為三角Bézier曲面片。在基于CPU的精確自由變形方法中,變形結果為裁剪Bézier曲面片的方法效率遠高于變形結果為三角Bézier曲面片的方法。通過分析和發(fā)掘當代GPU的數據并行和計算并行潛力,我們設計了一個更為高效的精確自由變形方法,整個變形過程可以進一步抽象為兩個矩陣乘法,而矩陣乘法可以通過GPU線性代數庫cuBLAS高效完成。實驗結果表明,新算法比前一個GPU算法的效率又進一步提升了30%
5、。該項研究提示:采用GPU并行架構實現傳統(tǒng)的數據密集和計算密集的幾何算法時,有可能獲得更高的加速比。
提出了基于GPU、特征敏感的光滑自由變形方法。該方法將多邊形模型的幾何和法向分別進行近似變形,即將三角形及其線性法向量場分別近似變形為兩個三次三角Bézier曲面片。為了克服面片分割引起的不光順現象,算法根據變形法向量場對變形幾何進行巧妙的局部調整,最終在模型的光滑部分,獲得視覺上近似G1的變形幾何、G0的變形法向場;而在尖銳
6、特征部分,則保持了G0的變形幾何、G-1的變形法向場。由于所有計算都是局部的,所以該算法可以使用GPU高效并行實現,保證了算法的實時性。
提出了基于光滑自由變形的隱式曲面編輯方法。由于自由變形方法獨立于物體的表示形式,我們將上述光滑自由變形算法引入隱式曲面的外形編輯。該方法首先將對隱式曲面進行自適應多邊形化,同時記錄每一個頂點的精確法向,多邊形化的分辨率由隱式曲面和變形空間自適應決定;然后采用光滑自由變形算法對多邊形化的隱式曲
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