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(yīng)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(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

3、形結(jié)果為裁剪Bézier曲面片。通過分析精確自由變形中的大量B-樣條體求值、Bézier曲面片控制頂點計算、Bézier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。
　　提出了基于GPU

4、的精確自由變形進一步加速方法，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高于變形結(jié)果為三角Bézier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％

5、。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。
　　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

6、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(yīng)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(yīng)決定;然后采用光滑自由變形算法對多邊形化的隱式曲