基于OpenGL的三维模型简化算法的研究与实现

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大型数据的可视化及实时显示已在诸多领域得到广泛的运用,如虚拟现实技术、三维动画、游戏制作等,三维实体显示技术已成为领域研究热点。随着三维建模及数据获取等相关技术的发展、以及为了提高模拟显示的效果,三维模型变得越来越复杂精细,这些模型的三角网格数据往往包含数十万或数百万个面片,有的甚至达到了上亿。这种三维模型复杂、数据量大的特点使得模型存储难、传输难、绘制难,也给人机交互带来了巨大的挑战。采用模型简化算法对网格模型进行简化并保留其相关的几何特征具有十分重要的意义。论文首先对模型简化方法进行了有意义的探索,研究了几何元素删除法、顶点聚类法、采样法、自适应细分法这四类基本模型简化算法特点。在此基础上本文进一步研究了QEM边折叠算法。为了解决QEM边折叠算法在对模型高度简化时无法保留三维模型细节特征的缺陷,本文提出了一种基于法向量误差和体积误差的边折叠算法。该算法采用蝶形插值细分法计算边折叠后新顶点的空间位置,根据新顶点的空间位置计算边折叠时简化网格的顶点法向量和模型体积误差并建立折叠序列,成功在模型的高曲率区和低曲率区实现对网格模型的简化。因此本文算法既考虑到了简化模型的体积变化,又能够很好地反映网格局部曲面的几何变化。接着算法通过实现渐进网格方法,实现了对网格模型的动态简化。最后本论文在Visual Studio 2010平台上,结合OpenGL开发了一个三维模型简化软件,并把改进前后的算法集成到了该软件当中进行对比,并对本文算法的简化效果进行验证。该软件可以处理PLY格式的模型文件,并实现了简单的人机交互和渲染等功能。实验结果表明,开发的基于OpenGL的三维模型简化软件能够成功导入并简化PLY格式的三维模型文件,并且相较于QEM边折叠算法,改进后的边折叠算法显示效果更好,模型的几何形状和细节特征得到较好的维持。该软件达到预期研究目的,且运行良好。
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