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畫生成的方法。由于其簡單、直觀、且與模型的表示無關(guān),所以被廣泛應用于計算機動畫、計算機輔助設(shè)計與工程、計算機視覺、科學計算可視化等各個領(lǐng)域,并且已經(jīng)被集成到諸多主流商業(yè)三維動畫軟件中。變形采樣是自由變形方法中尚未解決的一個問題。傳統(tǒng)方法中,變形作用于模型的采樣點,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平面片變形為一個三角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,精確自由變形計算量巨大,難以實現(xiàn)交互或?qū)崟r的變形編輯,從而限制了其應用；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,忽略了其法向場的變形,使得變形結(jié)果不光滑。結(jié)合當代GPU通用計算能力的不斷提升,本文從變形效率和變形效果兩個方面著手,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的實時精確自由變形方法,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曲面片控制頂點計算、Bezier曲面片三角化等復雜運算之間關(guān)聯(lián)性,設(shè)計了基于GPU的高度并行算法,高效地實現(xiàn)上述復雜運算；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。實驗結(jié)果表明,GPU加速算法比CPU算法快兩個數(shù)量級,滿足了精確自由變形的實時交互要求�！ぬ岢隽嘶贕PU的精確自由變形進一步加速方法,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)掘當代GPU的數(shù)據(jù)并行和計算并行潛力,我們設(shè)計了一個更為高效的精確自由變形方法,整個變形過程可以進一步抽象為兩個矩陣乘法,而矩陣乘法可以通過GPU線性代數(shù)庫cuBLAS高效完成。實驗結(jié)果表明,新算法比前一個GPU算法的效率又進一步提升了30%。該項研究提示：采用GPU并行架構(gòu)實現(xiàn)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)密集和計算密集的幾何算法時,有可能獲得更高的加速比�！ぬ岢隽嘶贕PU、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行近似變形,即將三角形及其線性法向量場分別近似變形為兩個三次三角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)變形法向量場對變形幾何進行巧妙的局部調(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；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。由于所有計算都是局部的,所以該算法可以使用GPU高效并行實現(xiàn),保證了算法的實時性。·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。該方法首先將對隱式曲面進行自適應多邊形化,同時記錄每一個頂點的精確法向,多邊形化的分辨率由隱式曲面和變形空間自適應決定；然后采用光滑自由變形算法對多邊形化的隱式曲面進行自由變形編輯。實驗結(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
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：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加速的實時精確自由變形35-57
• 2.1 研究背景35-36
• 2.2 使用CUDA進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并行計算Bezier曲面片的控制頂點39-42
• 2.2.3 裁剪Bezier曲面片的GPU細化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 實現(xiàn)結(jié)果和討論48-55
• 2.3.1 與CPU算法的對比48-52
• 2.3.2 與細化著色器的對比52
• 2.3.3 與均勻加密采樣算法的對比52-55
• 2.4 結(jié)論55-57
• 第3章 三角Bezier曲面片表示的實時精確自由變形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 計算三角Bezier曲面片的控制頂點58-59
• 3.2.3 三角Bezier曲面片的均勻細化59-61
• 3.2.4 GPU并行計算B-樣條體內(nèi)的采樣點R_s61-62
• 3.2.5 高效的細化點求值算法62-64
• 3.2.6 三角Bezier曲面片細化的GPU實現(xiàn)64
• 3.2.7 GPU細化的優(yōu)化64-65
• 3.3 實現(xiàn)結(jié)果65-70
• 3.3.1 優(yōu)化后的矩陣乘法65
• 3.3.2 與細化著色器算法及CPU算法的對比65-68
• 3.3.3 與前一章算法的對比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 將變形后的法向場擬合為三角Bezier曲面片74-76
• 4.3.2 改進變形之后的幾何76-78
• 4.3.3 考慮節(jié)點盒切割78-81
• 4.4 算法的GPU并行實現(xiàn)81-85
• 4.4.1 采樣法向和采樣點的并行計算81-82
• 4.4.2 帶約束的條件下并行擬合表示幾何和法向場的曲面82-83
• 4.4.3 計算調(diào)整法向83
• 4.4.4 GPU并行調(diào)整邊控制頂點83
• 4.4.5 對幾何和法向面片的GPU細化83-85
• 4.5 實現(xiàn)結(jié)果及比較85-94
• 4.5.1 繪制結(jié)果的比較85
• 4.5.2 效率對比85-86
• 4.5.3 擬合誤差測試86-90
• 4.5.4 光滑自由變形與均勻加密采樣算法的對比90-92
• 4.5.5 光滑自由變形和自適應細化著色器算法的對比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 法向的計算99-100
• 5.3 曲面編輯100-101
• 5.4 實現(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108-118
• 攻讀博士學位期間主要的研究成果118-119
• 致謝119-120

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本文編號：347070