根据人眼观察事物的原理,对较近物体看的清楚且物体看起来较大,而较远的物体则较模糊且小。这种现象反映在计算机图形学中即是细节层次(LOD)技术:当观察点距离某一物体很近时,该物体的成像在屏幕上将占据较多的像素点,反之则只能在屏幕上占据较少的像素点,显然对于较远的物体给出其简单轮廓描述即可。在计算机绘制该帧图像时,较近物体详细绘制,而较远的物体用较少的多边形来表示,可以提高绘制速度。简言之,细节层次技术就是在不影响画面视觉效果的前提下,通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性,从而提高绘图效率。
应用细节层次模型技术时,首先为每个物体建立多个相似模型,不同模型对物体的细节描述不同,对物体细节描述越准确,模型就越复杂。场景绘制时将根据物体在屏幕上占据的大小及观察点等因素自动为各物体选择不同细节层次模型,从而减少所需显示的多边形数目。例如可以对大坝由复杂到简单建立一系列模型,当观察点离大坝远时,可以选择较为简单的模型;随着视点的逐步接近,逐步更新模型,选择越来越精确的模型来描述。这里涉及两个问题,一个是如何进行不同细节层次模型间的切换,另一个是如何建立每个物体的多个细节层次。
根据人的视觉特性,不同细节模型间切换可以选择如下方式:①根据物体与视点的距离;②根据物体在投影平面所占空间的大小(即物体在屏幕上所占像素大小);③根据物体与视线方向的夹角;④根据人与物体是否存在相对运动。
物体细节层次建模有两种方案,一是静态建立,即事先建立好物体的不同层次,然后有选择地加以调用(切换);另一种则为动态实时简化,不同细节层次模型间实现连续过渡,不存在切换问题。两种建立方法的技术是一致的。图8.8为不同细节层次的水电厂实体模型(静态),图8.9为不同细节层次的地形网格与覆盖在其上的纹理图像(动态)。
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图8.8 静态细节层次模型示意
图8.9 动态LOD模型示意
利用一些基本操作可以实现动态或静态模型的简化,模型简化的层次取决于每次简化所带来的模型误差。目前这类误差度量的方式有全局误差和局部误差,具体执行时,计算每次操作给模型带来的误差,将其作为权值插入到一个按权值增序排列的序列中,然后开始循环进行网格基本简化操作;每一次循环,选取序列中权值最小的进行简化,并更新变化的网格信息,重新计算改变了的网格基本元素的误差,插入到序列中开始下一个循环;直到序列中的最小误差达到用户设定的阈值或用户希望的网格数目。通过上述操作,可以建立原始模型的不同细节层次模型,但相对于原始格网,模型间的误差是逐步递增的。目前常通过建立相邻层次模型元素间的对应关系,依照这个对应关系通过线性内插实现不同细节层次模型间的光滑过渡。
细节层次显示和简化是计算机图形学中应用比较广泛的技术,利用这种技术可以较好地简化模型的复杂度,同时采用不同分辨率的模型显示复杂场景中的不同物体,使生成的图像在质量损失小的情况下,实时产生真实感图像。
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