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摘 要

随着计算机图形技术的发展和高性能移动设备的涌现，移动三维可视化技术受到越来越多的重视。本文基于移动端嵌入式平台，研究三维可视化中的关键技术，重点研究了三维网格简化技术和混合渲染模型的建立。通过建立客户端和服务器，实现了基于混合渲染的可视化系统原型。

（1） 三维网格简化技术的研究。本文在传统的基于二次误差测度的基础上，提出了一种新的改进方法，除了二次方距离测度，还能够将三角网格的面积和法向量因素加入考虑。新算法能够在不改变原有算法复杂度的同时，提升算法在简化过程中对于模型局部细节特征的保留。

（2）渲染方法的研究。针对移动端流行的多种渲染技术，结合研究内容，本文提出了一种混合渲染模型。通过采用客户端/服务器的模式，将网格简化和渲染的过程分离，减轻了移动设备的计算压力，提升了整体的渲染效率。

（3）原型系统的实现。本文设计了基于上述内容的原型系统，详细设计了服务器和客户端中各个模块，并展示了运行效果。

关键词：OpenGL ES, 网格简化，QEM算法，混合渲染，三维可视化

Abstract

Based on mobile and embedded platform, this paper studies the key technology of 3D visualization, which mostly focuses on mesh simplification and mix-rendering model. Finally, a visualized prototype based on mixed-rendering model is achieved by establishing a server and a client.

For mesh simplification research, this paper proposes a new method based on Quadric Error Metrics. Apart from quadric distance, we also take area and normal of the triangle face into consideration. The new method can maintain the detail of the model while doesn’t increase the complexity in the process.

For the study on rendering method, there are several rendering techniques in the mobile platform, we use a mix-rending model in this paper. We separate the simplification and rendering process, make server to do the complicated simplification work and client to the rendering, which improves the overall performance.

Finally, this paper presents a prototype that is carefully designed based on above studies.

KEY WORDS: OpenGL ES, mesh simplification, QEM method, mix-rending, 3D visualization

目录

摘 要 1

目录 1

第一章 绪论 1

1.1选题背景及研究意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1三维模型精简技术研究现状 2

1.2.2移动三维可视化及远程渲染研究现状 3

1.3本文主要内容及目标 4

1.4论文组织结构 4

第二章 三维网格简化算法研究 6

2.1面模型精简算法概述 6

2.2经典二次误差测度算法 7

2.3增加面积和法向量度量的QEM改进算法 9

2.3.1面积误差度量 10

2.3.2法向量误差度量 10

2.3.3目标函数及新顶点位置的确定 11

2.3.4算法描述 12

2.3.5实例比较与分析 12

2.4本章小结 15

第三章 移动三维可视化及混合渲染模型的设计 16

3.1 OpenGL ES三维可视化的基础知识 16

3.1.1 OpenGL ES渲染管线工作流程 16

3.1.2 OpenGL ES的绘制方式 18

3.1.3 OpenGL ES中的光照 20

3.2远程渲染方法简介 23

3.3混合渲染模型研究 24

3.3.1混合渲染模型的总体设计 24

3.3.2数据组织方式 25

3.3.3模型的过滤传输 27

3.3.4整体功能流程 28

3.4本章小结 29

第四章 网格简化和混合渲染系统的实现与分析 30

4.1系统架构设计及开发环境 30

4.2详细模块设计 30

4.2.1服务器 30

4.2.2客户端 33

4.3系统效果展示和分析 35

4.4本章小结 36

第五章 总结和展望 37

5.1本文的研究成果 37

5.2存在的问题和未来的展望 37

参考文献 39

致 谢 41

绪论

1.1选题背景及研究意义

三维模型是物体的多边形表示，用计算机或者其他显示设备来显示，通过纹理覆盖及光影等效果可以带给人很好的空间感和真实感。在计算机中，三维模型通常表示为面模型或者体模型；其中，使用多边形网格的面模型最为常用。近年来，使用三维激光扫描技术获得的三维模型精度非常高，能够得到非常好的渲染效果，但随之而来的是网格模型复杂度的提高，即便是一个非常简单的模型，可能也需要上万个三角面来描述，这对于计算机的存储、计算和绘制带来的巨大的挑战；而在实际应用中，复杂的原始模型并不是经常需要，在某些场景中简化后的模型依然能得到很好的渲染效果，因此一个好的模型简化算法的研究显得尤为重要。一个好的简化算法，能够极大的提升运算速度，降低内存消耗，提升整体的简化效果。

随着科学技术及工业技术的发展，我们身边的各种高配置的电子设备也令人目不暇接。移动设备更是处在高速的更新换代中，4G内存，十核处理器，超大屏，“视网膜”显示屏、最高屏幕分辨率甚至可达1440*2560，像素密度高达543英寸等等。与此同时，越来越多的3D游戏和应用也开始在手机上出现，渲染平台逐渐从传统的PC端向移动端发展。一些原本在电脑上运行的大型3D游戏开始出现在了手机上，例如极品飞车系列和NBA 2K系列游戏和Google Earth这样的应用等。这些游戏的后台数据往往多达几个GB，而且很多要求电脑的内存在4个GB以上，这对于移动端的流畅运行是一个极大的难题。与传统的PC端渲染平台相比，移动端的数据处理能力更弱、内存更小，渲染能力也更弱。虽然过去十年中，移动硬件飞速发展，三维图形的计算能力以及CPU性能也逐渐提高，但仍然无法满足三维场景越来越复杂的构造要求。值得一提的是，通常情况下，移动设备由于屏幕大小和分辨率的限制，对于三维场景的渲染要求并不会有PC端那么高；因此，研究高效率的网格简化算法和移动端平台上的三维可视化很有必要性。

在移动端三维技术刚开始发展的阶段，受限于移动设备的硬件情况和计算能力，三维数据大多保存在应用中，且场景比较简单、数据量也比较少。随着越来越多3D应用的出现，后台数据也越来越大，手机的内存渐渐无法满足要求。因此移动三维应用的渲染模式逐渐向客户端-服务器模型发展。服务器的主要功能是远程存储三维数据，根据需求将数据发送给客户端，客户端仅负责渲染。

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