[发明专利]基于动态Billboard技术的三维场景绘制简化方法

说明书

技术领域

本发明涉及大规模动态三维场景实时绘制技术、基于动态Billboard的变形物体绘制简化技术。本发明是一种高效、实时的动态三维场景绘制简化方法，属于计算机应用领域，特别是计算机图形学、虚拟现实技术领域。

技术背景

虚拟环境趋向大型化、复杂化，而实时性又是虚拟现实系统所追求的重要目标之一。在现有的计算机软硬件条件下，模型的复杂度与绘制复杂度和实时性三者之间存在着很大的矛盾，此消彼涨，很难兼顾。特别是大规模动态场景的绘制，如涉及到人的大型广场文艺表演仿真，大型公共场所仿真，涉及到环境的室外自然场景仿真、战场环境仿真等，场景大、涉及人物等角色模型数量多，往往会有几千个角色同时运动，传统的变形方法变形准确但计算量大，无法实现实时性计算和场景绘制。

三维场景中模型的动态变形需要大量的计算资源，大规模三维模型的变形或角色动作，一般采用离散LOD(Level Of Details)方法减少绘制三角形以加快绘制速度，但存在的问题是，当LOD简化层次过大时，模型变的非常粗糙，变形动作连贯性差，严重影响真实感。即便如此，当场景中有上千规模的角色同时进行动作变形时，仍然无法达到实时计算和动态场景绘制。

Billboard(广告牌)是一种常用的场景绘制模型简化技术，使用朝向观察者的平面板代替模型绘制，能够很好的实现大量复杂模型的实时性绘制问题。Billboard技术广泛应用于粒子系统和复杂模型简化。该技术将模型投影成一幅图像，并在图像中设置非模型区域的透明属性，实际绘制时，绘制贴图图像纹理的四边形。为展现三维模型不同视点下的立体多样特性提出的三板Billboard技术，可以实现从不同角度观察模型得到不同的结果，更加接近三维视觉效果。目前，Billboard的贴图都采用静态纹理，大大限制了其应用的范围。

模型的变形是计算机图形学中的传统课题，模型的变形按应用分类，大体分为二维图像变形、三维几何体变形和流体变形。针对模型的变形，研究者们展开了研究，如基于骨骼的变形、基于FFD的变形、基于弹簧模型变形、基于无网格法的变形、基于有限元的变形和基于物理的变形。流体变形基本分为两种方法，欧拉法和拉格朗日法。变形的过程通常要耗费大量的计算资源，因此对于场景中包含大量变形物体或角色时，无法实现绘制的实时性。

发明内容

本发明提出的基于动态Billboard技术的三维场景绘制简化方法，针对在包含大量重复或相近动态变化物体(特别是人物角色或者条状组成的物体)的三维虚拟场景中，解决绘制过程中的真实感和绘制实时性的矛盾。本发明的原理是：采用基于曲线式骨骼的图像变形方法，对三维场景中物体的二维投影或二维图像进行实时变形，将图像变形结果实时传递到三维场景中的Billboard板上，简化场景中动态物体的绘制复杂度，从而为大规模场景的实时绘制和漫游提供技术保证。

本发明的目的是通过下述步骤实现的。

(1)二维图像的输入：对三维场景中动态变化物体进行二维投影，或直接采用其二维图像。

(2)骨骼模型的建立：标定输入图像需变形区域的关节点，根据关节点连接的两骨骼长度、宽度和夹角信息，建立骨骼两侧双曲线方程。通过调整该曲线的参数，使曲线连接处二次连续可导，避免以往骨骼变形中关节连接处的不平滑失真。对于每个关节点，设定坐标原点为当前关节点，坐标X轴为关节点两侧骨骼的角平分线。两侧双曲线可以用公式1表示，其中r为硬度参数，k为骨骼斜率，iX为两双曲线间的X轴方向距离。