题目：面向虚拟设计的并行绘制体系结构及三维几何压缩算法研究

近年来，随着PC性能的快速发展，建立以PC集群驱动的多投影面沉浸式虚拟环境系统成为研究的热点。但是，现有的并行绘制体系结构适合于仿真应用而不适合虚拟设计制造等动态变化的虚拟场景，这影响了虚拟现实技术在制造业的发展和推广应用。本文从虚拟设计的特点和需求出发，提出构建面向虚拟设计的多投影面沉浸式虚拟环境系统的研究课题。论文对面向虚拟设计的多投影面沉浸式虚拟环境的软件体系结构、分布式并行绘制系统中三维模型的实时几何压缩与渐进传输等几个问题进行了深入的研究，论文的主要研究工作如下： 1．明确提出了面向虚拟设计的多投影面虚拟环境系统的体系结构。针对虚拟设计的特点和需求，提出了基于混合型结构的分布式并行绘制模型。该模型结合sort-first结构中立即模式和保留模式两种框架的优点，在主节点和绘制服务节点之间传送信息量小的模型操作事件而不是修改后的整个模型，大大减少了网络数据通讯量；同时，它利用主节点加载新的模型数据并通过网络发送到各个绘制服务器节点，然后再对各节点的模型数据库进行更新，满足了虚拟设计中需要不断加载新模型数据的需求；此外，基于该混合型结构的系统还可以从客户端上运行的某些三维建模软件中截获产品模型的可渲染面片数据，打包压缩后传送到各服务器节点进行绘制，增强了系统的三维建模能力。2．深入研究了由三角形网格构成的三维模型的拓扑信息和几何信息压缩，提出了针对三角形条带三维模型拓扑信息和几何信息的整体压缩算法，使用Triangle Fixer方法对三角形条带构成的三维模型拓扑信息进行了压缩，并采用3阶自适应算术编码进一步提高了压缩比率；同时结合量化、平行四边形顶点坐标预测以及算术编码实现了三角形网格几何信息的压缩，该方法不仅考虑了压缩效率，而且还考虑了如何使网格的压缩和对网格的有效绘制相结合，在几何模型质量基本没有损失的情况下，获得了很好的压缩性能，同时也提高了绘制端三维模型的绘制帧速率。3．深入研究了由一般多边形网格构成的三维模型的拓扑信息和几何信息压缩，提出了针对几何信息的局部坐标系压缩法，通过把顶点位置坐标变换到局部坐标系中，并结合量化、平行四边形顶点坐标预测以及算术编码来实现一般多边形网格模型几何信息的压缩；同时，将该算法与网格的拓扑信息压缩算法相结合对模型进行了整体压缩，在几何模型质量基本没有损失的情况下，获得了很好的压缩性能。4．对分布式并行绘制系统中带宽降低方法进行了深入研究，在分布式并行绘制系统中，提出把静态与视点无关网格简化技术和动态与视点相关的实时绘制技术结合起来，先根据应用领域的要求，采用考虑了离散曲率的边折叠算法构造多分辨率模型，在基于联网PC的分布式并行绘制系统中实现模型的渐近传输并进行实时绘制；同时结合几何索引的方式来降低立即模式分布式并行绘制系统中的网络传输数据量，该方法能够较好的保持机械元件中模型的尖锐特征，能够减少用户的等待时间，提高绘制端的绘制帧速率。5．对分布式并行绘制系统中几何压缩方法进行了深入研究，在与基于离散曲率的网格简化技术相结合的基础上，提出使用不同的精度对模型的顶点坐标信息进行量化压缩；同时使网格的压缩和分布式并行绘制系统中几何指令流的截获相结合，采用平行四边形预测和球面子分区域压缩方法分别对顶点位置信息和法向量信息进行压缩，进一步缓解网络带宽压力，增强数据的实时动态交互性，提高了三维虚拟场景在绘制服务器端的绘制速度。 6．探讨了虚拟装配应用开发中的模型转换等问题；在构建的多投影面沉浸式虚拟环境系统中，结合虚拟破碎机的装配应用实例初步实现了一个面向虚拟装配的多投影面沉浸式虚拟环境原型系统。