基于GPU的自由變形反走樣.pdf

1、自由變形是一種幾何模型編輯和柔性體動(dòng)畫(huà)生成的方法。由于其簡(jiǎn)單、直觀、且與模型的表示無(wú)關(guān)，所以被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與工程、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、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(huà)軟件中。
　　變形采樣是自由變形方法中尚未解決的一個(gè)問(wèn)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Bézier曲面片或者裁剪Bézier曲面片，

2、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(wèn)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(kāi)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

3、形結(jié)果為裁剪Bézier曲面片。通過(guò)分析精確自由變形中的大量B-樣條體求值、Bézier曲面片控制頂點(diǎn)計(jì)算、Bézier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VertexBuffer 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(mǎn)足了精確自由變形的實(shí)時(shí)交互要求。
　　提出了基于GPU

4、的精確自由變形進(jìn)一步加速方法，變形結(jié)果為三角Bézier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Bézier曲面片的方法效率遠(yuǎn)高于變形結(jié)果為三角Bézier曲面片的方法。通過(guò)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(guò)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(guò)GPU線(xiàn)性代數(shù)庫(kù)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％

5、。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(xiàn)性法向量場(chǎng)分別近似變形為兩個(gè)三次三角Bézier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(jué)上近似G1的變形幾何、G0的變形法向場(chǎng);而在尖銳

6、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。
　　提出了基于光滑自由變形的隱式曲面編輯方法。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