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人们对移动通信应用的需求推动了移动通信技术的发展,至今移动通信技术已走过了两代的历程,即八十年代的第一代模拟技术和九十年代的第二代窄带数字技术。近些年来,随着无线通信宽带化技术的突破,移动通信技术正在向以CDMA为基础,以宽带化通信为特征的第三代技术发展。移动通信技术的发展带动着移动设备(如移动电话、PDA、PocketPC、Palm-SizePC、智能手机等)的普及,这些设备已成为人们必不可少的随身物品。移动设备与无线网络的各种应用需求从广度与深度上日益扩大与提高,特别是在移动网络上传输三维图形图像数据及在有限的显示屏上显示高质量图形图像的需求日益迫切。在不久的将来,移动设备在3DGPU、精细LCD等硬件的支持下,借助3DAPI实现移动应用的3D化将成为可能。这类应用包括3D游戏、3D用户界面、3D地图和3D建模等。移动三维图形处理在近几年已成为计算机图形学领域的一项重要研究内容。同时,细分方法在三维图形建模与应用上越来越普及,是计算机图形学的热点研究内容。但一般三维模型都由复杂、大量的三角形面片构成,在模型数据存取、传输及显示上都将耗费巨额的资源。在窄带宽网络环境特别是移动网络环境中直接传输如此大量的数据在实践上并不可行。而且,由于移动设备固有的资源有限及显示屏细小等特点,三维图形在其上的显示质量受到很大限制。为了解决这些问题,本文开展了移动网络上的细分图形简化与传输方法的研究。
本文从国内外最新的研究成果入手,结合国内移动网络发展情况,提出新的思路和方法。通过实现相关的算法,分析实验结果与数据验证新方法的可行与有效性,同时跟据实验结果反复对新方法进行改进。本文的成果主要是提出了任意三维网格逆蝶形细分多分辨率分析方法,实现复杂模型的简化与渐进表示,同时提出在移动网络环境中图形的渐进传输方法、基本协议和算法。
本文的主要创新点及贡献体现在以下三个方面:
移动图形应用中常常用到三维网格,为提高移动设备上图形的显示质量,本文提出了一种简单高效的任意拓扑结构三维网格的简化与还原方法。在每次简化的迭代过程中,先将原复杂网格的顶点集划分为奇点与偶点两子集:奇点消去,偶点保留。在消去奇点前,应用蝶形细分模式先将奇点的偏移值算出,作为原网格的细节信息保存下来,用于无损还原复杂网格。在消去奇点、用偶点构造粗网格后,需要对粗网格顶点作补偿操作,使粗网格尽可能逼近原网格。经多次简化迭代后将得到最粗的基本网格,和每次迭代所得的细节信息序列一起,形成原复杂网格的一种渐进表示。因简化过程与蝶形细分的网格细化过程相反,本文称此方法为逆蝶形细分方法。
在逆蝶形细分简化与渐进表示等多分辨率分析研究的基础上,本文进行了移动网络环境中三维几何网格的传输方法研究。针对有线网络链路的拥塞或无线链路的信道衰竭等原因造成的丢包现象,本文提出了渐进网格的嵌入式编码方法,先以重要程度为序对网格数据构造嵌入式位流,再对位流中具不同优先级别的数据包添加不同的额外错误恢复位,以实施不同程度的错误恢复编码。在有线网络到无线网络的传输过程中,先用较高错误恢复机制保证基本网格的传输正确与完整。对其他不同层次的网格细节信息的传输,则可应用较弱的保护机制。层次较高的细节信息即使丢失也不会对网格模型的渲染显示造成大的影响,位流的嵌入式属性使网格模型能显示到直到细节缺失处的精度。此外,本文还给出了移动网络上的几种多媒体图形图像传输的应用协议。
逆蝶形细分方法与其他基于细分的简化方法一样,尽管对任意拓扑的网格均适用,但这些方法有一个局限性,即要求复杂网格满足一定的约束条件。而具细分连通性是网格能进行逆细分简化的充分条件。因此,本文提出了一种基于调和映射理论的参数化方法,对任意网格进行蝶形细分重采样,使其具备细分连通性。先对任意网格划分为类Voronoi图的区域,应用局部调和映射,得到对偶的Delaunay三角形区域。再对区域顶点构成的基本网格,进行调和映射全局参数化。最后对基本网格进行迭代蝶形细分采样,直至采样网格与原网格的误差达到要求的临界值为止。另外,本文还提出另一种不使用调和映射的法向位移重采样方法。由这些方法得到的采样网格具备细分连通性,可以应用逆蝶形细分进行多分辨率分析,得到渐进网格表示。
较少有基于逆细分的网格简化方法,实验表明本文方法具有简化快速、无损还原、容易实现等优点。从实验结果分析来看,渐进网格的无线传输方法也是有效可行的。重新蝶形细分网格化的方法使本文的方法能应用到实际需求中。这些方法的联立形成了移动网络上三维几何网格的应用框架,为移动图形应用提供了重要的解决方案,对满足人们移动设备上高质量三维图形显示的需求有重大意义。