基于高性能计算环境的LOD技术在虚拟现实中的研究与应用

摘 要：本文依托高性能计算平台节点，使用Virtool建模软件为开发环境，结合LOD技术以增强三维建模技术中大量存在且相对较低的质量图像的真实感、实时性与交互性，取得了良好的现实效果。

关键词：虚拟现实；LOD；高性能计算；折叠

中图分类号：TP399

随着虚拟现实技术已逐渐应用到生活、教育培训、工程设计、影视艺术、医学等诸多领域，对创建模型特别是大规模的模型创建提出了更高的要求。建设三维虚拟场景的模型基础是建模技术，因此三维建模技术的研究与应用就具有一定的现实意义。三维场景中遇到海量数据渲染常常会使用Level of detail来提高效率，比较常见View-dependent LOD，如OSG/ORGE中都会有相关接口来定义级别，这就需要设定模型与摄像机的距离。但如果简单的设置固定距离，在场景中前移摄像机时，总会感觉三维模型变形的很突兀，要细分到什么层次，或是如何把握这个距离，才能够让人眼感觉变化很自然呢？距离是其中一种error metric去判断使用哪一级的discrete LOD模型，常用的error metric还有投影在屏幕空间上的长度或面积。Discrete LOD是必然有突变的（通常称作popping），要考虑怎样在视觉上更自然，就要考虑更复杂的视觉感知（visual perception）方面的error metric，例如转变前后在视觉上的光暗对比影响，物体是否在眼球正关注的位置上等等。这些评估通常较难自动实现，所以一般来说通常是由内容制作者按实际情况调整。这样造成的结果是建模和绘制场景的工作量越来越大，单纯依靠美工人员在普通服务器上进行场景建模难以满足虚拟现实工作的需要。

1 设计方案

本文virtool开发平台依托于甘肃省计算中心高性能计算集群平台，其集群运算能力达到40Tflops（12 Tflops CPU+28 Tflops GPU），CPU数量2000颗，系统内存1.5TB，存储能力40TB，为企业、高校及科研院所提供了强大的基础研究平台。

Continuous LOD一般是通过一些插值方式去把模型从某级LOD变形至另一级LOD。而级数本身也是很多的，例如在渐进网格（Progressive meshes）[1]中一个三角形网格中把一个棱坍塌（edge collapse）成为一个顶点。如下图所示：

为了解决上述问题，我们引进的依赖的概念树的节点之间的合并。因此，一个边缘的合并是允许只有当所有的顶点定义的边缘的影响的区域的边界的存在，靠近边缘作，考虑下图。其过程为： ，假设顶点可以合并，顶点P只有顶点N0，N1，…，Nk细胞的存在和相邻的P和C，由此我们确定以下边折叠的依赖，限制相邻顶点的水平差异：

同样，从P节点开始出发，P和C做一个可靠的分裂，我们确定以下顶点分裂依赖的：

（1）P可以分为C和P，只有当N0，N1，…，Nk细胞是目前显示的P的邻居。

（2）N0，N1，…，Nk细胞不能分裂，除非P第一分裂P和C上述的依赖关系是每个顶点分裂或边折叠过程中实时简化。

这些依赖关系是很容易识别并存储在合并树中其创作。现在我们可以看到，V3-V4取决于合并的顶点在顶点的邻接V1、V3。如果顶点V2是V1不相邻的V3。因此，V3不会合并于的V4。尽管有时可能会产生更少的依赖关系简化比否则，它具有的优点是消除了昂贵的浮点运行时检查完全。

2 开发及应用

如前所述，每个合并树节点V存储欧氏距离的分割点它的孩子（downswitch距离）以及它的距离会合并到它的父（upswitch距离）。如果最大可能的屏幕空间的投影距离downswitch.在物体空间的顶点v大于预先设定的阈值T，我们允许细化在V和递归检查孩子的V.然而，如果最大可能的屏幕空间在对象空间V的upswitch投影距离小于阈值T，这意味着该地区占据很小的屏幕空间，可以简化，所以我们标记V为无效。具体编码步骤如下所示：

（1）计算相关所有顶级并确定其矩阵及属性结构。

（2）计算相应节点若合并后的代价。

（3）将结果集放入一个堆集合中，并对结果集进行排序。

（4）按照排序集合从中取出产生代价最小的边，修改相关顶点信息。

（5）重复上述过程，直到循环结束。

3 对比分析

以从合并树深度看，树都是不完美的平衡。然而，它们仍然在一个小的因素下达到最佳深度。这一因素而付出的代价，将依赖和避免昂贵的运行时检查确保浮点好的三角剖分。对于每个数据集，我们继续合并树的构建使顶点到8或更少顶点都留下了。正如预期的那样，所用的系数的从一个顶点的数目减少水平下，逐渐减少，当我们达到更低的细节水平因为现在有较少的替代品离开剩余的依赖约束。如果树深度成为关注且可以阻止的话，交易关闭显示树的遍历时间时间允许合并树的依赖一个有趣的方面是，现在可以影响基于静态的边折叠的决定在运行时的三角剖分的特点预处理。作为一个例子，我们有意执行回避（细长）三角形在运行时，三角剖分。作为我们量化的一个区域的三角形质量a和这三边的长度L0、L1和L2；基于以下Gueziec计算公式： 和绘图时间代价公式：t=m*number_of_pix+n*number_of_vertex+k*sieze；

利用方程的3个退化三角形计算为0，等边质量三角形的1。我们把所有的边折叠在银色的三角形是无效的，正常锥背面的简化和轮廓定义是，它允许图形更加注重的是对象的区域感知更重要的。因此，例如，用于生成分子crambin给定的图像，8729前面的顶点遍历相比3361背面的顶点；1372分轮廓的顶点。对比效果如下图所示：

根据以上两个公式计算对比结果如下表所示：

我们简化出结果对应的图像，说明这种更快的增量计算和显示应用在相对较低的质量图像有一定的可能性，可以相对较为轻松的实现显示渐进细化。

4 结束语

虚拟现实应用系统的复杂度越来越大，传统方法中中大量存在且相对较低的质量图像对于工作人员与服务器都是不小的负担，本文依托高性能计算平台节点，结合LOD技术以增强三维建模技术中大量存在且相对较低的质量图像的真实感、实时性与交互性。

同时由于虚拟现实在实际建模中往往建模时间较长，高性能计算平台在能否保证渲染引擎能够正常调用，能否保证渲染过程不丢数据，单机宕机是否影响整体网络性能，并且修复失败渲染任务的方便性如何，能否支持现有的主流三维动画和后期合成软件都得到了满意的效果。通过依托高性能计算平台结合LOD技术可以对三维建模技术中大量存在且相对较低的质量图像的感知，并且能够减少图像数据边距计算节点，从而可以减少虚拟现实处理时间、减轻相关技术人员的劳动强度。

参考文献：

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作者简介：刘光明（1974.08-），男，甘肃天水人，科长，副研究员，硕士，研究方向：高性能计算、网络技术。

作者单位：甘肃省计算中心，兰州 730030；甘肃省生产力促进中心，兰州 730030

基金项目：甘肃省技术研究与开发专项计划项目（项目编号：1205TCYA037）《基于高性能计算集群的混合建模技术在虚拟现实（VR）中的应用研究》资助。