基于高性能計(jì)算環(huán)境的LOD技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)中的研究與應(yīng)用

摘 要：本文依托高性能計(jì)算平臺(tái)節(jié)點(diǎn)，使用Virtool建模軟件為開發(fā)環(huán)境，結(jié)合LOD技術(shù)以增強(qiáng)三維建模技術(shù)中大量存在且相對較低的質(zhì)量圖像的真實(shí)感、實(shí)時(shí)性與交互性，取得了良好的現(xiàn)實(shí)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；LOD；高性能計(jì)算；折疊

中圖分類號：TP399

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已逐漸應(yīng)用到生活、教育培訓(xùn)、工程設(shè)計(jì)、影視藝術(shù)、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域，對創(chuàng)建模型特別是大規(guī)模的模型創(chuàng)建提出了更高的要求。建設(shè)三維虛擬場景的模型基礎(chǔ)是建模技術(shù)，因此三維建模技術(shù)的研究與應(yīng)用就具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。三維場景中遇到海量數(shù)據(jù)渲染常常會(huì)使用Level of detail來提高效率，比較常見View-dependent LOD，如OSG/ORGE中都會(huì)有相關(guān)接口來定義級別，這就需要設(shè)定模型與攝像機(jī)的距離。但如果簡單的設(shè)置固定距離，在場景中前移攝像機(jī)時(shí)，總會(huì)感覺三維模型變形的很突兀，要細(xì)分到什么層次，或是如何把握這個(gè)距離，才能夠讓人眼感覺變化很自然呢？距離是其中一種error metric去判斷使用哪一級的discrete LOD模型，常用的error metric還有投影在屏幕空間上的長度或面積。Discrete LOD是必然有突變的（通常稱作popping），要考慮怎樣在視覺上更自然，就要考慮更復(fù)雜的視覺感知（visual perception）方面的error metric，例如轉(zhuǎn)變前后在視覺上的光暗對比影響，物體是否在眼球正關(guān)注的位置上等等。這些評估通常較難自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，所以一般來說通常是由內(nèi)容制作者按實(shí)際情況調(diào)整。這樣造成的結(jié)果是建模和繪制場景的工作量越來越大，單純依靠美工人員在普通服務(wù)器上進(jìn)行場景建模難以滿足虛擬現(xiàn)實(shí)工作的需要。

1 設(shè)計(jì)方案

本文virtool開發(fā)平臺(tái)依托于甘肅省計(jì)算中心高性能計(jì)算集群平臺(tái)，其集群運(yùn)算能力達(dá)到40Tflops（12 Tflops CPU+28 Tflops GPU），CPU數(shù)量2000顆，系統(tǒng)內(nèi)存1.5TB，存儲(chǔ)能力40TB，為企業(yè)、高校及科研院所提供了強(qiáng)大的基礎(chǔ)研究平臺(tái)。

Continuous LOD一般是通過一些插值方式去把模型從某級LOD變形至另一級LOD。而級數(shù)本身也是很多的，例如在漸進(jìn)網(wǎng)格（Progressive meshes）[1]中一個(gè)三角形網(wǎng)格中把一個(gè)棱坍塌（edge collapse）成為一個(gè)頂點(diǎn)。如下圖所示：

為了解決上述問題，我們引進(jìn)的依賴的概念樹的節(jié)點(diǎn)之間的合并。因此，一個(gè)邊緣的合并是允許只有當(dāng)所有的頂點(diǎn)定義的邊緣的影響的區(qū)域的邊界的存在，靠近邊緣作，考慮下圖。其過程為： ，假設(shè)頂點(diǎn)可以合并，頂點(diǎn)P只有頂點(diǎn)N0，N1，…，Nk細(xì)胞的存在和相鄰的P和C，由此我們確定以下邊折疊的依賴，限制相鄰頂點(diǎn)的水平差異：

同樣，從P節(jié)點(diǎn)開始出發(fā)，P和C做一個(gè)可靠的分裂，我們確定以下頂點(diǎn)分裂依賴的：

（1）P可以分為C和P，只有當(dāng)N0，N1，…，Nk細(xì)胞是目前顯示的P的鄰居。

（2）N0，N1，…，Nk細(xì)胞不能分裂，除非P第一分裂P和C上述的依賴關(guān)系是每個(gè)頂點(diǎn)分裂或邊折疊過程中實(shí)時(shí)簡化。

這些依賴關(guān)系是很容易識(shí)別并存儲(chǔ)在合并樹中其創(chuàng)作?，F(xiàn)在我們可以看到，V3-V4取決于合并的頂點(diǎn)在頂點(diǎn)的鄰接V1、V3。如果頂點(diǎn)V2是V1不相鄰的V3。因此，V3不會(huì)合并于的V4。盡管有時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生更少的依賴關(guān)系簡化比否則，它具有的優(yōu)點(diǎn)是消除了昂貴的浮點(diǎn)運(yùn)行時(shí)檢查完全。

2 開發(fā)及應(yīng)用

如前所述，每個(gè)合并樹節(jié)點(diǎn)V存儲(chǔ)歐氏距離的分割點(diǎn)它的孩子（downswitch距離）以及它的距離會(huì)合并到它的父（upswitch距離）。如果最大可能的屏幕空間的投影距離downswitch.在物體空間的頂點(diǎn)v大于預(yù)先設(shè)定的閾值T，我們允許細(xì)化在V和遞歸檢查孩子的V.然而，如果最大可能的屏幕空間在對象空間V的upswitch投影距離小于閾值T，這意味著該地區(qū)占據(jù)很小的屏幕空間，可以簡化，所以我們標(biāo)記V為無效。具體編碼步驟如下所示：

（1）計(jì)算相關(guān)所有頂級并確定其矩陣及屬性結(jié)構(gòu)。

（2）計(jì)算相應(yīng)節(jié)點(diǎn)若合并后的代價(jià)。

（3）將結(jié)果集放入一個(gè)堆集合中，并對結(jié)果集進(jìn)行排序。

（4）按照排序集合從中取出產(chǎn)生代價(jià)最小的邊，修改相關(guān)頂點(diǎn)信息。

（5）重復(fù)上述過程，直到循環(huán)結(jié)束。

3 對比分析

以從合并樹深度看，樹都是不完美的平衡。然而，它們?nèi)匀辉谝粋€(gè)小的因素下達(dá)到最佳深度。這一因素而付出的代價(jià)，將依賴和避免昂貴的運(yùn)行時(shí)檢查確保浮點(diǎn)好的三角剖分。對于每個(gè)數(shù)據(jù)集，我們繼續(xù)合并樹的構(gòu)建使頂點(diǎn)到8或更少頂點(diǎn)都留下了。正如預(yù)期的那樣，所用的系數(shù)的從一個(gè)頂點(diǎn)的數(shù)目減少水平下，逐漸減少，當(dāng)我們達(dá)到更低的細(xì)節(jié)水平因?yàn)楝F(xiàn)在有較少的替代品離開剩余的依賴約束。如果樹深度成為關(guān)注且可以阻止的話，交易關(guān)閉顯示樹的遍歷時(shí)間時(shí)間允許合并樹的依賴一個(gè)有趣的方面是，現(xiàn)在可以影響基于靜態(tài)的邊折疊的決定在運(yùn)行時(shí)的三角剖分的特點(diǎn)預(yù)處理。作為一個(gè)例子，我們有意執(zhí)行回避（細(xì)長）三角形在運(yùn)行時(shí)，三角剖分。作為我們量化的一個(gè)區(qū)域的三角形質(zhì)量a和這三邊的長度L0、L1和L2；基于以下Gueziec計(jì)算公式： 和繪圖時(shí)間代價(jià)公式：t=m*number_of_pix+n*number_of_vertex+k*sieze；

利用方程的3個(gè)退化三角形計(jì)算為0，等邊質(zhì)量三角形的1。我們把所有的邊折疊在銀色的三角形是無效的，正常錐背面的簡化和輪廓定義是，它允許圖形更加注重的是對象的區(qū)域感知更重要的。因此，例如，用于生成分子crambin給定的圖像，8729前面的頂點(diǎn)遍歷相比3361背面的頂點(diǎn)；1372分輪廓的頂點(diǎn)。對比效果如下圖所示：

根據(jù)以上兩個(gè)公式計(jì)算對比結(jié)果如下表所示：

我們簡化出結(jié)果對應(yīng)的圖像，說明這種更快的增量計(jì)算和顯示應(yīng)用在相對較低的質(zhì)量圖像有一定的可能性，可以相對較為輕松的實(shí)現(xiàn)顯示漸進(jìn)細(xì)化。

4 結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜度越來越大，傳統(tǒng)方法中中大量存在且相對較低的質(zhì)量圖像對于工作人員與服務(wù)器都是不小的負(fù)擔(dān)，本文依托高性能計(jì)算平臺(tái)節(jié)點(diǎn)，結(jié)合LOD技術(shù)以增強(qiáng)三維建模技術(shù)中大量存在且相對較低的質(zhì)量圖像的真實(shí)感、實(shí)時(shí)性與交互性。

同時(shí)由于虛擬現(xiàn)實(shí)在實(shí)際建模中往往建模時(shí)間較長，高性能計(jì)算平臺(tái)在能否保證渲染引擎能夠正常調(diào)用，能否保證渲染過程不丟數(shù)據(jù)，單機(jī)宕機(jī)是否影響整體網(wǎng)絡(luò)性能，并且修復(fù)失敗渲染任務(wù)的方便性如何，能否支持現(xiàn)有的主流三維動(dòng)畫和后期合成軟件都得到了滿意的效果。通過依托高性能計(jì)算平臺(tái)結(jié)合LOD技術(shù)可以對三維建模技術(shù)中大量存在且相對較低的質(zhì)量圖像的感知，并且能夠減少圖像數(shù)據(jù)邊距計(jì)算節(jié)點(diǎn)，從而可以減少虛擬現(xiàn)實(shí)處理時(shí)間、減輕相關(guān)技術(shù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳懷友，張?zhí)祚Y，張菁.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[2]胡小強(qiáng).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：北京郵電出版社，2009.

[3]肖天成，何嶺松.用VC和VRML設(shè)計(jì)虛擬測控實(shí)驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011.

[4]R.Alur and T.A.Henzinger，A really temporal logic，in Proc.30th Ann.Symp.Foundations of Computer Science，2005：164-169.

[5]ChangHun P.，Heedong Ko，Taiyun Kim.Multi-Resolution Spatial Model for Large—Scale Vh'tual Environment.Proceedings of VRST’00，2010：92-96.

[6]孫倩.基于3DSMAX的三維建模及其在Virtools環(huán)境中的應(yīng)用[J].中國科技信息，2008（12）.

[7]盛慶紅.基于圖像的3D建模綜述[J]，測繪科技情報(bào)，2007（04）：12-17.

[8]楊軍，諸昌鈐，邢琪.由點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建的隱式曲面的可視化算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009.

作者簡介：劉光明（1974.08-），男，甘肅天水人，科長，副研究員，碩士，研究方向：高性能計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

作者單位：甘肅省計(jì)算中心，蘭州 730030；甘肅省生產(chǎn)力促進(jìn)中心，蘭州 730030

基金項(xiàng)目：甘肅省技術(shù)研究與開發(fā)專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：1205TCYA037）《基于高性能計(jì)算集群的混合建模技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）中的應(yīng)用研究》資助。