[发明专利]一种基于八叉树的大规模复杂三维场景处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机图形学和虚拟现实技术，主要是一种基于八叉树的大规模复杂三维场景处理方法。

背景技术

大规模场景的实时渲染在虚拟现实、地理信息系统、飞行模拟、城市规划和三维游戏等领域中具有非常广泛的应用，一直是人们的研究热点。

尽管图形处理器的性能相比过去有了飞速的发展，但还是不能满足大规模复杂场景实时渲染的需求。因此，必须设计出高效算法来进一步提高复杂场景的渲染速度。与真实感渲染不同，在不影响视觉效果的前提下，虚拟现实中的图形技术可以适当损失图形的渲染质量以提高渲染的速度。目前用来加速大规模复杂场景渲染速度，提高计算机实时渲染能力的主要技术有：场景的组织与优化、渲染状态优化、层次细节技术(LOD)、基于图像的绘制以及可见性剔除等等。其中场景的组织与优化和可见性剔除具有至关重要的作用。

场景的组织与优化是大规模场景渲染中非常重要的部分。场景如何组织，对诸如碰撞检测、可见性剔除和实时阴影等的计算具有巨大的影响。大规模场景中存在大量的物体，不能简单的对这些物体进行记录，而必须要采用结构化的场景管理器对这些物体进行组织管理。一般情况下将场景中的物体分为静态物体和动态物体。对动态物体来说，一般采用简单的列表方式进行管理。而对于静态物体，由于它们的空间状态是不变的，因此可以用层次化的技术来加以组织，并将其存储为文件进行保存，以方便下一次的读取。

可见性剔除也是大规模场景渲染中非常重要的部分。它包括三部分：视域剔除、遮挡剔除和背面剔除。其中视域剔除非常关键，可以剔除视野外的大量物体，极大地减少送入图形渲染通道的图元，从而较大地提高渲染速度。

本发明针对当前图形渲染引擎存在的问题，提出了一种高效的渲染算法。该方法主要通过对整个虚拟场景的场景图进行树状组织和优化管理，然后利用三维场景的包围盒和场景剖分技术完成快速的视域剔除，从而达到优化管理整个复杂场景的目的，大大提高了实时渲染的速率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有图形渲染引擎实时渲染大规模复杂三维场景存在的不足，提供一种基于八叉树的大规模复杂三维场景处理方法，用八叉树对场景进行树状组织和优化管理，在此基础上利用三维场景的包围盒完成快速的视域剔除，从而达到优化管理整个复杂场景的目的，大大提高了渲染的速率，并达到了实时性要求。

本发明的技术解决方案：基于八叉树的大规模复杂三维场景处理方法，主要采用八叉树结构来组织场景，利用其空间信息和树形组织结构，批量的削减视锥体外的几何节点，快速计算出需要渲染的节点序列，减少送入渲染通道的三角面数量，从而有效地提高了渲染速度。本方法步骤如下：

(1)载入大规模三维场景，用场景图来组织场景中的所有元素；

(2)建立并生成该场景的八叉树结构，记录相关的信息；

(3)利用八叉树结构，通过视锥体与包围盒的相交检测算法进行快速的视域剔除；

(4)对于处于视锥体内的物体进行渲染。

上述的步骤(2)建立并生成场景的八叉树结构的具体步骤是：

A)设置八叉树参数，如树的层次数限制，每个叶子空间能包含的最大节点数等；

B)遍历所有几何节点，计算根节点的包围盒大小；

C)递归划分包围盒，记录所有子节点和叶子节点，生成场景的八叉树结构；首先将根节点的AABB盒均匀的划分成八个部分；然后根据相交检测算法，将父节点下的所有几何节点分别归类至这八个空间中；最后进行递归调用，对所有子节点进行划分。

上述的步骤(3)利用八叉树结构，通过视锥体与包围盒的相交检测算法进行快速的视域剔除的步骤是：

A)由根节点开始向下寻找包含整个视锥体的最小八叉树节点，找到后在mPreviousStartNode变量中记录该节点，若没找到则记录根节点，则该节点将作为下一次判断时的起始节点；

B)然后遍历该节点下的所有叶子节点，若完全处于视锥体内则标记显示所有几何节点，若叶子节点仅与视锥体相交则进行OBB相交检测，判断是否显示相关几何节点，以后的判断就从记录的节点开始，向下寻找新的起始节点，如果由于移动原因导致该节点已不能包含整个视锥体时，则向上查询最小的一个包含视锥体的节点作为新的起始节点。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

(1)用场景图组织场景，使场景易于组织和扩展，提高场景的渲染速度；

(2)用八叉树结构对场景进行空间划分，然后利用八叉树进行快速的视域剔除，大量减少送入图形渲染通道的图元，较大地提高渲染速度；