本文關(guān)鍵詞：基于GPU的自由變形反走樣，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：自由變形是一種幾何模型編輯和柔性體動(dòng)畫生成的方法。由于其簡(jiǎn)單、直觀、且與模型的表示無關(guān),所以被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與工程、計(jì)算機(jī)視覺、科學(xué)計(jì)算可視化等各個(gè)領(lǐng)域,并且已經(jīng)被集成到諸多主流商業(yè)三維動(dòng)畫軟件中。變形采樣是自由變形方法中尚未解決的一個(gè)問題。傳統(tǒng)方法中,變形作用于模型的采樣點(diǎn),變形結(jié)果的質(zhì)量受采樣密度的影響。精確自由變形則是將模型的每一個(gè)平面片變形為一個(gè)三角Bezier曲面片或者裁剪Bezier曲面片,得到了多邊形物體的精確變形結(jié)果,解決了由于采樣密度不足而造成的幾何走樣問題。但是,精確自由變形計(jì)算量巨大,難以實(shí)現(xiàn)交互或?qū)崟r(shí)的變形編輯,從而限制了其應(yīng)用；此外,由于精確自由變形方法僅考慮了多邊形物體的幾何變形,忽略了其法向場(chǎng)的變形,使得變形結(jié)果不光滑。結(jié)合當(dāng)代GPU通用計(jì)算能力的不斷提升,本文從變形效率和變形效果兩個(gè)方面著手,開展了基于GPU的自由變形反走樣研究,取得了如下研究成果：·提出了基于GPU的實(shí)時(shí)精確自由變形方法,變形結(jié)果為裁剪Bezier曲面片。通過分析精確自由變形中的大量B-樣條體求值、Bezier曲面片控制頂點(diǎn)計(jì)算、Bezier曲面片三角化等復(fù)雜運(yùn)算之間關(guān)聯(lián)性,設(shè)計(jì)了基于GPU的高度并行算法,高效地實(shí)現(xiàn)上述復(fù)雜運(yùn)算；并且采用OpenGL中Vertex Buffer Object繪制最終結(jié)果,避免了CPU和GPU之間的大量數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,GPU加速算法比CPU算法快兩個(gè)數(shù)量級(jí),滿足了精確自由變形的實(shí)時(shí)交互要求�！ぬ岢隽嘶贕PU的精確自由變形進(jìn)一步加速方法,變形結(jié)果為三角Bezier曲面片。在基于CPU的精確自由變形方法中,變形結(jié)果為裁剪Bezier曲面片的方法效率遠(yuǎn)高于變形結(jié)果為三角Bezier曲面片的方法。通過分析和發(fā)掘當(dāng)代GPU的數(shù)據(jù)并行和計(jì)算并行潛力,我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)更為高效的精確自由變形方法,整個(gè)變形過程可以進(jìn)一步抽象為兩個(gè)矩陣乘法,而矩陣乘法可以通過GPU線性代數(shù)庫cuBLAS高效完成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,新算法比前一個(gè)GPU算法的效率又進(jìn)一步提升了30%。該項(xiàng)研究提示：采用GPU并行架構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)密集和計(jì)算密集的幾何算法時(shí),有可能獲得更高的加速比。·提出了基于GPU、特征敏感的光滑自由變形方法。該方法將多邊形模型的幾何和法向分別進(jìn)行近似變形,即將三角形及其線性法向量場(chǎng)分別近似變形為兩個(gè)三次三角Bezier曲面片。為了克服面片分割引起的不光順現(xiàn)象,算法根據(jù)變形法向量場(chǎng)對(duì)變形幾何進(jìn)行巧妙的局部調(diào)整,最終在模型的光滑部分,獲得視覺上近似G1的變形幾何、G0的變形法向場(chǎng)；而在尖銳特征部分,則保持了G0的變形幾何、G-1的變形法向場(chǎng)。由于所有計(jì)算都是局部的,所以該算法可以使用GPU高效并行實(shí)現(xiàn),保證了算法的實(shí)時(shí)性�！ぬ岢隽嘶诠饣杂勺冃蔚碾[式曲面編輯方法。由于自由變形方法獨(dú)立于物體的表示形式,我們將上述光滑自由變形算法引入隱式曲面的外形編輯。該方法首先將對(duì)隱式曲面進(jìn)行自適應(yīng)多邊形化,同時(shí)記錄每一個(gè)頂點(diǎn)的精確法向,多邊形化的分辨率由隱式曲面和變形空間自適應(yīng)決定；然后采用光滑自由變形算法對(duì)多邊形化的隱式曲面進(jìn)行自由變形編輯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于光滑自由變形的隱式曲面外形編輯方法效率高,即使采用較低分辨率的多邊形化結(jié)果也可以實(shí)現(xiàn)光滑的高質(zhì)量外形編輯結(jié)果。
【關(guān)鍵詞】：變形反走樣 精確自由變形 CUDA 光滑自由變形 尖銳特征 隱式曲面
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP391.41
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-17
• 第1章 緒論17-35
• 1.1 引言17-18
• 1.2 相關(guān)研究工作18-32
• 1.2.1 空間變形18-25
• 1.2.2 微分域變形25-29
• 1.2.3 GPU通用計(jì)算29-30
• 1.2.4 網(wǎng)格模型求精方法30-32
• 1.3 本文內(nèi)容安排32-35
• 第2章 GPU加速的實(shí)時(shí)精確自由變形35-57
• 2.1 研究背景35-36
• 2.2 使用CUDA進(jìn)行精確自由變形算法的GPU加速36-48
• 2.2.1 算法概述36-39
• 2.2.2 使用GPU并行計(jì)算Bezier曲面片的控制頂點(diǎn)39-42
• 2.2.3 裁剪Bezier曲面片的GPU細(xì)化42-44
• 2.2.4 算法的優(yōu)化44-48
• 2.2.5 使用vertex buffer object繪制生成的三角形48
• 2.3 實(shí)現(xiàn)結(jié)果和討論48-55
• 2.3.1 與CPU算法的對(duì)比48-52
• 2.3.2 與細(xì)化著色器的對(duì)比52
• 2.3.3 與均勻加密采樣算法的對(duì)比52-55
• 2.4 結(jié)論55-57
• 第3章 三角Bezier曲面片表示的實(shí)時(shí)精確自由變形57-71
• 3.1 研究背景57
• 3.2 三角Bezier曲面片表示的GPU精確自由變形57-65
• 3.2.1 三角Bezier曲面片表示的精確自由變形概述57-58
• 3.2.2 計(jì)算三角Bezier曲面片的控制頂點(diǎn)58-59
• 3.2.3 三角Bezier曲面片的均勻細(xì)化59-61
• 3.2.4 GPU并行計(jì)算B-樣條體內(nèi)的采樣點(diǎn)R_s61-62
• 3.2.5 高效的細(xì)化點(diǎn)求值算法62-64
• 3.2.6 三角Bezier曲面片細(xì)化的GPU實(shí)現(xiàn)64
• 3.2.7 GPU細(xì)化的優(yōu)化64-65
• 3.3 實(shí)現(xiàn)結(jié)果65-70
• 3.3.1 優(yōu)化后的矩陣乘法65
• 3.3.2 與細(xì)化著色器算法及CPU算法的對(duì)比65-68
• 3.3.3 與前一章算法的對(duì)比68-70
• 3.4 結(jié)論70-71
• 第4章 保持尖銳特征的GPU光滑自由變形71-95
• 4.1 研究背景71-73
• 4.2 三角Bezier曲面片表示的精確自由變形概述73
• 4.3 保持尖銳特征的光滑自由變形73-81
• 4.3.1 將變形后的法向場(chǎng)擬合為三角Bezier曲面片74-76
• 4.3.2 改進(jìn)變形之后的幾何76-78
• 4.3.3 考慮節(jié)點(diǎn)盒切割78-81
• 4.4 算法的GPU并行實(shí)現(xiàn)81-85
• 4.4.1 采樣法向和采樣點(diǎn)的并行計(jì)算81-82
• 4.4.2 帶約束的條件下并行擬合表示幾何和法向場(chǎng)的曲面82-83
• 4.4.3 計(jì)算調(diào)整法向83
• 4.4.4 GPU并行調(diào)整邊控制頂點(diǎn)83
• 4.4.5 對(duì)幾何和法向面片的GPU細(xì)化83-85
• 4.5 實(shí)現(xiàn)結(jié)果及比較85-94
• 4.5.1 繪制結(jié)果的比較85
• 4.5.2 效率對(duì)比85-86
• 4.5.3 擬合誤差測(cè)試86-90
• 4.5.4 光滑自由變形與均勻加密采樣算法的對(duì)比90-92
• 4.5.5 光滑自由變形和自適應(yīng)細(xì)化著色器算法的對(duì)比92-94
• 4.6 結(jié)論及今后工作94-95
• 第5章 基于光滑自由變形的隱式曲面編輯95-105
• 5.1 研究背景95-96
• 5.2 隱式曲面多邊形化96-100
• 5.2.1 多邊形化的步驟97-99
• 5.2.2 法向的計(jì)算99-100
• 5.3 曲面編輯100-101
• 5.4 實(shí)現(xiàn)結(jié)果及比較101-104
• 5.4.1 繪制結(jié)果的比較101
• 5.4.2 效率對(duì)比101-104
• 5.5 結(jié)論及展望104-105
• 第6章 總結(jié)與展望105-108
• 6.1 本文總結(jié)105-106
• 6.2 未來工作展望106-108
• 參考文獻(xiàn)108-118
• 攻讀博士學(xué)位期間主要的研究成果118-119
• 致謝119-120

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本文編號(hào)：347070