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无线网络中三维模型传输机制研究 提出一种基于f e c 和m a c l i t e 的混合模型传输协议。由于无 线信道具有随机出错缺点，三维模型数据在无线网络中的传输比在有 线网络中传输更加困难。然而图形数据量一般比较大，在传输过程中 若发生少量的错误，对图形整体视觉效果影响不大。基于此事实，本 文提出了一种基于f e c 和m a c l i t e 的混合模型传输协议。在纹理化 模型传输前，利用上述提出模型简化算法，将模型分为重要的数据和 次重要的数据。对于重要的数据，我们为了保证其尽可能的正确传输， 我们加入f e c 纠错码。对于次重要的数据，为了其尽可能快的到达 客户端，我们利用m a c l i t c 协议进行传输。n s 2 模拟实验结果表明， 在纹理化模型质量没有明显的降低的情况下，网络性能如吞吐量得到 极大提高，端到端的延迟明显降低。 实现了一个三维电子商城系统。针对目前二维电子商务网站上的 商品显示缺乏真实感和良好交互性的缺陷，利用本文上述研究成果， 开发了一个具有良好动态交互性和强烈真实感的三维电子商城购物 系统。在客户端，开发了一个能够嵌入到浏览器的实时绘制插件，而 服务端包括对纹理化模型的处理和场景模型管理子系统两部分。 关键词：图形传输协议；带宽分配；s p i h t 编码；渐近传输 一 无线网络中三维模型传输机制研究 t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo f3 dm o d e lo v e rw i r e l e s sn e t w o r k a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e m e t ，m o r ea n dm o r en e t w o r ks e r v i c e r e q u i r e st ot r a n s m i t3 dm o d e l ，i np a r t i c u l a rt h ee m e r g e n c eo fw e b 3 d t e c h n o l o g i e sm a k i n g3 dt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o nm u c hm o r ep o p u l a r n o w a d a y s ，h o w e v e r , t h ea m o u n to fd a t ao f3 dm o d e l sm a d eb y h i g h 。p r e c i s i o n3 d s c a n n e r sa n dm o d e l i n gt o o l si sa l w a y sl a r g e ，w h i c hi sa g r e a tc h a l l e n g et ot h ec u r r e n ti n t e r n e t ，e s p e c i a l l yt ow i r e l e s sn e t w o r k s s o t h i sp a p e rd o e ss o m er e s e a r c ho nt h en o n e r r o ra n dr o b u s tt r a n s m i s s i o no f t h et e x t u r e b a s e d3 dm o d e li nw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k , t h ed e t a i l sa s f o l l o w i n g s ： p r o p o s i n g a n a l g o r i t h m o fb i t - a l l o c a t i o n f o r p r o g r e s s i v e t r a n s m i s s i o no ft e x t u r e - b a s e d3 dm o d e l s i no r d e rt o t r a n s m i t t e x t u r e b a s e dm o d e lm o r ee f f i c i e n t l y , t h em o d e l ss h o u l db ep r o c e s s e d b e f o r et r a n s m i s s i o n f i r s t l y , t h i sp a p e ru s e st h e e d g e - c o l l a p s eo p e r a t i o nt o s i m p l i f yt h eg e o m e t r i cm o d e l ，w h i c hp r o d u c e ss e r i a l so fl o w r e s o l u t i o n g e o m e t r i cm o d e l s t ok e 印t h ef e a t u r e so ft h es i m p l i f i e dm o d e l sl o o kl i k e t h eo r i g i n a lm o d e l ，t h i sp a p e rt a k e si n t oa c c o u n tt e x t u r es t r e t c h i n ga n d d i s t o r t i o nw h e nt h eo r d e ro fs e l e c t i o no fw h i c he d g es h o u l db ec o l l a p s e d i i l 无线网络中三维模型传输机制研究 s e c o n d l y , w ei m p r o v et h es p i h ta l g o r i t h mt oe n c o d e2 d t e x t u r ei m a g e a n dt h i sa l g o r i t h mc a l lg e n e r a t ea n yc o m p r e s s i o nr a t i oo ft h es t r e a mf i l e ， s ot h ec l i e n tc a ng e ta na p p r o x i m a t i o no ft h eo r i g i n a li m a g ei nas h o r t t i m et h r o u g hd e c o d i n g f i n a l l y , as e r i e so fs i m p l i f i e dg e o m e t r i cm o d e l s a n dt e x t u r ei m a g e sa r em a t c h e do nb a n d w i d t h t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h i s k i n do fm a t c h i n gi st om e e tt h eb a n d w i d t ha n dg e tt h eo p t i m a lv i s u a l e f f e c t e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tw e o b t a i ng o o dv i s u a lo ft h el o w r e s o l u t i o no ft h et e x t u r e d3 dm o d e lu n d e rt h ec o n d i t i o n so fm e e t i n gt h e b a n d w i d t h p r o p o s i n gah y b r i do ft r a n s m i s s i o np r o t o c o lb a s e do nf e ca n d m a c l i t e g r a p h i c st r a n s m i s s i o no v e rw i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r ki s m o r ec h a l l e n g i n gt h a no v e rw i r e dn e t w o r k t h e s ec h a l l e n g e s a r e p a r t i c u l a r l yd i f f i c u l tb e c a u s eo ft h ee r r o n e o u sn a t u r eo ft h ew i r e l e s s c h a n n e l i nt h i sp a p e r , a l le f f i c i e n th y b r i df e ca n dm a c - l i t em o d e l t r a n s m i s s i o np r o t o c o li nw l a ni sp r o p o s e dw h i c hi sb a s e do nt h ef a c t t h a t g r a p h i c s d a t ac a nt o l e r a t es o m eb i t - e r r o r sw i t h o u tn o t i c e a b l e d e g r a d a t i o ni nq u a l i t y b e f o r et h et r a n s m i s s i o n ，t h em o d e li sd i v i d e di n t o i m p o r t a n tb a s em o d e ld a t aa n dl e s si m p o r t a n td e t a i ld a t ab yt h ea l g o r i t h m m e n t i o n e da b o v e a n dt h e n ，t h e ya r et r a n s m i t t e db ym o d i f i e dp r o t o c o l b a s e do nf e ca n ds e n s i t i v ed a t a d e p e n d e n t m a c l i t e p r o t o c o l r e s p e c t i v e l ya c c o r d i n gt o t h e i rd i f f e r e n ti m p o r t a n c e t h es i m u l a t i o n r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tn e t w o r kt h r o u g h p u ti m p r o v e ss i g n i f i c a n t l ya n d 无线网络中三维模型传输机制研究 e n d - t o 。e n dd e l a yd e c r e a s e so b v i o u s l y , b u tt h eg r a p h i c sq u a l i t yh a sn o a p p a r e n td e g r a d a t i o n d e v e l o p i n ga3 dv i r t u a le s h o p p i n gm a l ls y s t e m i no r d e rt o s o l v et h ep r o b l e m so fl a c k i n go fb o t hr e a l i s t i cf o rt h eg o o d s p r e s e n t a t i o n a n dt h ef r i e n d l yi n t e r a c t i o nw i t hu s e r so nt h et r a d i t i o n a le c o m m e r c e w e b s i t e s ，t h i sp a p e rr e a l i z e sad y n a m i ci n t e r a c t i o na n ds t r o n gr e a l i s t i c3 d e 。c o m m e r c es h o p p i n gs y s t e mu s i n gt h ea b o v er e s e a r c hr e s u l t s i nt h e c l i e n te n d ，w ed e v e l o par e a l t i m e r e n d e r i n gp l u g i nw h i c hc a nb e e m b e d d e di nb r o w s e rw h i l es e r v i c ee n di n c l u d e st h ep r o c e s s i n go ft h e3 d m o d e la n ds c e n em o d e l m a n a g e m e n ts u b s y s t e m k e y w o r d s ：g r a p h i ct r a n s m i s s i o np r o t o c o l ；b a n d w i d t ha l l o c a t i o n ； s p i h t c o d i n g ；p r o g r e s s i v et r a n s m i s s i o n v 无线网络中三维模型传输机制研究 无线网络中三维模型传输机制研究 目录 摘要i a b s t r a ( t i i i 目录v 第一章绪论l 1 1w e b 3 d 技术的概述l 1 2 图形传输相关问题及国内外相关工作研究4 1 2 1 图形的压缩和简化及真实度测量5 1 2 2 无线网络中传输协议。8 1 3 本文工作与章节安排9 第二章纹理化模型简化与带宽分配算法l l 2 1 弓l 言1l 2 2 相关工作。1 2 2 3 纹理化三维模型的渐近编码1 3 2 3 1 边折叠代价度量1 3 2 3 2 算法描述和实验结果1 5 2 4 基于s p i h t 的纹理图像渐进压缩改进算法1 7 2 4 1s p i h t 算法简介：18 2 4 2s p m 算法改进1 8 2 5 带宽一定的纹理与几何最优化视觉匹配算法2 l 2 5 1 视觉效果测度2 2 2 5 2 寻找最优匹配算法2 3 2 6 实验结果。2 4 2 7 本章小结2 7 第三章模型混合传输协议设计。2 8 3 1 引言。2 8 3 2 相关工作2 9 3 3 基于f e c 和m a c l it e 的混合传输协议的设计3 0 3 3 1 基于f e c 的m a c 协议设计。3 0 3 3 2m a c - l i t e 协议设计3l 3 4 实验环境的搭建3 2 3 5 实验结果对比分析3 3 3 6 本章小结3 8 第四章基于无线局域网的三维电子商城系统4 0 4 1 图形绘制插件4 0 4 2 系统的实现。4 2 4 3 主要数据结构。4 6 第五章总结展望。4 8 i 无线网络中三维模型传输机制研究 5 1 总结4 8 5 2 展望4 8 参考文献5 0 附录1 攻读硕士期间发表的论文5 7 附录2 攻读硕士期间参加的课题和项目5 7 至i 谢5 8 独创性声明5 9 计算机图形学是利用计算机研究图形的表示、生成、处理及显示的学科。经 过三十多年的快速发展，计算机图形学已成为计算机科学中最为活跃的分支之 一，并在计算机辅助设计与制造、科学计算可视化、实时绘制、非真实感绘制和 计算机动画等方面有着长足的发展。在融合相关科学的基础上，计算机图形学已 经得到了广泛应用，如具有强烈真实感的三维游戏、虚拟产品展示和漫游、电影 特技、电子商务、广告、医疗和教育等等各个方面，并已经成为我们日常生活、 娱乐和学习不可或缺的一部分。由于三维图形数据量都比较大，动辄产生以百万 计的面片。这些复杂的模型对计算机的存储、处理速度、绘制速度是一个比较大 的挑战。而且随着互联网在全世界范围内的不断发展和普及，越来越多的网络服 务要求在互联网上传送三维模型，而且随着w c b 3 d 技术的出现，使得网络传输 大数据量的图形由可能变成现实。由于无线局域网的可移动性、布线容易、组网 灵活、成本低廉等特点，应用越来越普遍。本文主要研究内容是三维图形在无线 局域网中传输。 本章首先概述w e b 3 d 技术，之后介绍图形传输涉及问题和国内外相关研究 现状，最后介绍本文的工作和内容安排。 1 1w e b 3 d 技术的概述 本小节主要从w e b 3 d 技术的发展、w c b 3 d 的关键技术及其应用三个方面来 阐述。 w e b 3 d 技术的发展。v i l m l 开始于2 0 世纪9 0 年代初期。1 9 9 4 年3 月在日 内瓦召开的第一届w w w 大会上，首次正式提出了v r i v i l 这个名字。1 9 9 4 年 l o 月在芝加哥召开的第二届w w w 大会上公布了规范的v p d v i l l 0 标准。 v p j v i l l 0 可以创建静态的3 d 景物，但没有声音和动画，你可以在它们之间移 动，但不允许用户使用交互功能来浏览三维世界。它只有一个可以探索的静态世 界。1 9 9 6 年8 月在新奥尔良召开的优秀3 d 图形技术会议s i g g r a p h 9 6 上公布通 过了规范的y t d v i l 2 0 标准。它在v r m l l 0 的基础上进行了很大的补充和完善。 l 无线网络中三维模型传输机制研究 它是以s g i 公司的动态境界m o v i n g w o r l d s 提案为基础的。比v r m l i 0 增加了 近3 0 个节点，增强了静态世界，使3 d 场景更加逼真，并增加了交互性、动画 功能、编程功能、原形定义功能等。1 9 9 7 年1 2 月v r m l 作为国际标准正式发 布，1 9 9 8 年1 月正式获得国际标准化组织i s o 批准。简称v r m l 9 7 。v r m l 9 7 只是在v r m l 2 0 基础进行上进行了少量的修正。但它这意味着v r m l 已经成为 虚拟现实行业的国际标准。 1 9 9 8 年，v r m l 组织把自己改名为w e b 3 d 组织，同时制订了一个新的标准， e x t e n s i b l e3 d ( x 3 d ) 。到了2 0 0 0 年春天，w e b 3 d 组织完成了v r m l 到x 3 d 的 转换。x 3 d 整合正在发展的x m l 、j a v a 、流技术等先进技术，包括了更强大、 更高效的3 d 计算能力、渲染质量和传输速度，以及对数据流强有力的控制，多 种多样的交互形式。2 0 0 0 年6 月w e b 3 d 协会发布了v r m l 2 0 0 0 国际标准( 草 案) ，2 0 0 0 年9 月又发布了v r m l 2 0 0 0 国际标准( 草案修订版) 。在2 0 0 2 年， 正式发表x 3 d 标准。及相关3 d 浏览器。由此，虚拟现实技术进入了一个崭新 的发展时代。w e b 3 d 协会其组织包括各种9 7 家会员公司。主要公司如下：s u n 、 s o n y ，h p ，o r a c l e ，p h i l i p s ，3 d l a b s ，a t i ，3 d f x ，a u t o d e s k d i s c r e e t ，e l s a ， d i v i s i o n 、m u l t i g e n 、n a s a 、n v i d i a 、f r a n c et e l e c o m 等等。 w e b 3 d 的关键技术。w e b 3 d 的关键技术就是如何对从服务端传来的三维模 型数据进行实时的渲染，也就是如何翻译实时场景模型的数据的语法，使底层 o p e n g l 等能识别。现在通常的做法是把实时渲染引擎做成一个插件，客户端想 要观看，必须先下载此插件，并安装在客户端的浏览器上。此图形插件文件的大 小、渲染速度、渲染质量和其渲染后模型的交互性等指标都反应了插件的好坏。 目前几家公司开发的插件大小不一，如b l a x x u n 公司的c o n t a c t 大小为4 2 m ，微 软的v r m i x 3 d 大小为1 2 m ，而现在出现的最小的是基于j a v a 技术的只有 5 8 k 。一般来说，渲染引擎越大，对模型的处理越精细，图形渲染的质量就越好， 功能就越强大。但是由于在客户端下载插件也是耗时的，如b l a x x u n 公司4 2 m 的c o n t a c t ，以当前的网速，下载下来还是比较慢的。v i e w p o i n t 和c u l t 3 d 被认为 是目前渲染质量比较好的插件，它们的大小分别为7 9 m 和1 4 m ，它们使用专门 的文件格式。而目前图形质量比较好并且插件文件也比较小的图形渲染引擎为 c o r t o n a v r m l ，它是p a r a l l e l g r a p h i c s 公司的产品，大小约为1 3 3 m 。对于图形引 2 无线网络中三维模型传输机制研究 擎的速度，要使其比较快的渲染，无论是本地三维图形还是互联网三维图形，必 须支持底层的o p e n g l 或微软的d i r e e t 3 d 。至于交互性，是互联网的最大特点， 因为互联网的w e b 3 d 是实时渲染的，只有实时渲染才具有此功能。对于本地的 三维图形的预渲染是不能进行交互的。 w e b 3 d 的应用。主要有四类运用方向：商业、教育、娱乐和虚拟社区。 ( 1 ) 在企业和电子商务方向。三维的表现形式，能够全方位的展现一个物 体，具有二维平面图像不可比拟的优势。企业将他们的产品发布成网上三维的形 式，能够展现出产品外形的方方面面，加上互动操作，演示产品的功能和使用操 作，充分利用互连网高速迅捷的传播优势来推广公司的产品。对于网上电子商务， 将销售产品展示做成在线三维形式，顾客通过对之进行观察和操作能够对产品有 更加全面的认识了解，决定购买的几率必将大幅增加，为销售者带来更多的利润 i l 】 o ( 2 ) 教育业。现今的教学方式，不再是单纯的依靠书本、教师授课的形式。 计算机辅助教学( c a i ) 的引入，弥补了传统教学所不能达到的许多方面。在表现 一些空间立体化的知识，如原子、分子的结构、分子的结合过程、机械的运动时， 三维的展现形式必然使学习过程形象生动，学生更容易接受和掌握。如y v o n n e j u n g 、r u t hr e c k e t l 2 等人开发的基于x 3 d 的虚拟医学解剖系统，b r i a nj 、j e r e m y e 【3 】等人开发的三维光学的教学和研究系统。 ( 3 ) 娱乐游戏业。娱乐游戏业永远是一个不衰的市场。现今，互连网上已 不是单一静止的世界，动态h t m l 、f l a s h 动画、流式音视频，使整个互连网呈 现生机盎然。动感的页面较之静态页面更能吸引更多的浏览者。三维的引入，必 将造成新一轮的视觉冲击，使网页的访问量提升。娱乐站点可以在页面上建立三 维虚拟角色来吸引浏览者。游戏公司除了在光盘上发布3 d 游戏外，现在可以在 网络环境中运行在线三维游戏。利用互连网络的优势，用户数量迅速增加。 ( 4 ) 虚拟现实展示与虚拟社区。使用w e b 3 d 实现网络上的虚拟展示，只须 构建一个三维场景，人以第一视角在其中穿行。场景和控制者之间能产生交互， 加之高质量的生成画面使人产生身临其境的感觉。如m a r c i oc a b r a l 、m a r c e l o z u f r o 【4 】等人利用x 3 d 技术再现了1 9 1 1 年巴西的一些历史名城如图1 1 。国内的 有虚拟明孝陵，虚拟南京等，如图1 2 。 3 无线网络中三维模型传输机制研究 图1 1 用x 3 d 技术重现的1 9 11 年巴西的g e r m a n i a 和c a s ab a r u e l 建筑物 图1 2 虚拟明孝陵( 左) 和虚拟南京( 右) 示意图 1 2 图形传输相关问题及国内外相关工作研究 随着无线网络的发展和移动设备越来越普及，特别是笔记本电脑和一些高计 算性能的手机，p d a 等，使基于无线网络环境的三维图形数据传输正逐渐成为 研究热点。然而图形跟其他多媒体信息一个最大的不同是，三维模型数据量比较 大，尤其是随着科学技术的进步，在计算机图形学、虚拟现实、计算机辅助设计 技术、地理信息系统、医学图像系统等领域所构造和使用的模型越来越精细、越 来越复杂，这些复杂的模型动辄就产生数以百万计的面片，而斯坦福大学的数字 米开朗基罗计划( d i 西t a lm i c h e l a n g e l op r o j e c t ) 中著名的大卫( d a v i d ) 雕像的三 角面片更是高达2 0 亿，由于空间坐标用单精度浮点数来表示，此模型的数据量 4 无线网络中三维模型传输机制研究 超过3 0 g ，这对于当今的网速来说，下载此模型非常耗时。所以在传输前，必须 对模型进行处理，以便更适合网络传输。然而与有线网络传输不同，由于无线信 号衰退、噪声或终端节点的移动性所引起的链路的不稳定性和信号中断导致数据 在无线网络传输时产生较大的丢失率和误码率。因此，针对三维图形数据特征， 如何克服无线网络中由于丢包和误码所造成的影响成为无线网络三维模型传输 所需要解决的关键问题。 本节分别从服务端对模型的处理和无线局域网的传输协议两个方面来介绍 国内外研究状况。服务端对模型处理包括图形的压缩、简化和真实度测量。 1 2 1 图形的压缩和简化及真实度测量 目前降低三维模型数据量的方法主要有两种：三维图形的压缩和简化。图形 的压缩是指去除模型存储的冗余数据，使用较少的数据量来传输模型，然后在客 户端通过解码来恢复原始模型。然而在很多情况下，人们并不要求十分精细的模 型，例如在一个复杂的虚拟场景下，离视点越近的物体，视觉重要度越高，模型 要求越精细，而离视点越远的物体，粗糙一些的模型就已经能满足人们视觉上的 需要了；这就需要对模型进行简化，模型简化是指根据一定的原则，删减模型的 三角面片或顶点个数来减少模型的数据量，但基本的保持了原始模型的整体形 状。 三维模型压缩主要集中在对多边形网格模型尤其是三角形网格模型上，一个 多边形网格通常包括三个部分：描述顶点位置坐标的几何数据、描述顶点之间连 接关系的拓扑数据和属性数据。属性数据通常是指几何表面法向量、纹理、材质 等信息。当前三维模型编码压缩研究主要针对几何和拓扑部分，而且发展趋势是 从以前的拓扑驱动压缩转为几何驱动压缩。因为早期的三维网络压缩主要是解决 c p u 和图形显卡之间的传输瓶颈问题，是一种静态编码，主要针对三维模型中 的拓扑结构信息，主要压缩方法包括：索引面、三角形带【5 1 、生成树【6 1 、层分解 7 1 、e d g e b r e a k 一羽、基于顶点入度的编码【明等。目前拓扑结构编码在压缩率上接 近理论极限，而几何编码在以前很少有人研究。由于顶点位置空间坐标一般都是 单精度的浮点数形式，所以数据量比较大，但从视觉效果上看，如此高的精度是 不必要的。因此对几何数据压缩通常是有损压缩，其编码过程主要是量化顶点位 5 无线网络中三维模型传输机制研究 置、预测和熵编码。根据几何驱动编码方式不同，预测方法也不同，主要有d e l t a 预测嘲、线性预测【9 1 、二次预测【刀等。当前对于三维模型的网络传输，一般采用 递进编码。因为网络带宽的原因，先下载再绘制模型已经无法满足需求，取而代 之是先传输并绘制低分辨率的三维粗网格模型，然后边传输边绘制三维模型的细 节部分。因为递进编码不能随意利用网格数据间的相关性，所以其编码效率不如 静态编码。以前的递进编码主要以拓扑结构为主，现在发展到由几何信息驱动拓 扑信息。针对拓扑数据，拓扑驱动压缩方法主要包递进网格1 0 , 1 1 】、着色编码【1 2 】、 入度编码【1 3 】等。针对几何数据，几何驱动压缩方法主要为k d t r e ed e c o m p o s i o n 1 4 】、 o c t r e ed e c o m p o s i o n 1 5 1 、频域编码【1 6 1 、几何图像编码【1 7 1 等。 对于模型简化，它的实质是在尽量保证简化前后模型特征变化最小的情况下， 寻求最少数量三角形网格模型的简化表示方法。网格模型简化过程通常为：对 给定的原始模型，根据误差测度的大小，在一定的条件约束下，对峨进行 一系列的简化基本操作，最后得到简化后的网格模型肘。现在已经存在很多方 法来简化模型，其中最常见的有边折叠( e d g ec o l l a p s e ) 、顶点删除法( v e r t e x d e c i m a t i o n ) 、顶点聚类法( v e r t e xc l u s t e r i n g ) 和面收缩过程法( f a c ec o n s t r i c t i o n p r o c e s s ) 。在边折叠法中，一条边被塌陷从而生成一个新的顶点，如图1 3 ( a ) 。 其中选择哪条边塌陷和产生新顶点的位置是决定此算法的质量好坏的标准【l 机 1 8 之o 】。在顶点删除方法是删除一个顶点和其相关的边，留下的空洞再三角化【2 1 ，2 2 1 ， 如图1 3 ( b ) ，如此重复，直到得到需要的结果。顶点聚类法【2 3 】首先用一个包围盒 将原始模型包围起来，然后通过空间划分将包围盒分成若干个区域，这样，原始 模型的所有顶点就分别落在这些小区域内，将区域类的顶点合并成一个新顶点， 再根据原始网格的拓扑关系对这些新顶点进行三角化，就得到简化模型，如图 1 3 ( c ) 。面收缩过程法【2 4 胡，在简化时三角面作为被删除的基本元素，它是边折 叠算法的延续，一次三角形折叠可以删除4 个三角形、两个顶点，如图1 3 ( d ) 。 以后出现的一些方法基本上都是在前面所介绍的方法基础上加以改进的【2 让引。 6 无线网络中三维模型传输机制研究 ( a ) 边塌陷( b ) 顶点删除 ( c ) 顶点聚类( d ) 面收缩 图1 3 几种经典模型简化示意图 然而上述一些方法只是对几何模型而言的，对于附有纹理、颜色等属性的几 何模型的简化，仅仅利用基于几何的距离度量准则不能保证最终的简化质量或精 确性【2 9 1 。为了在几何简化过程中保持模型的属性特征，一些简化算法采用非几 何顶点属性( 如颜色、法向) 度量准则【扯3 2 1 ，将几何信息和其他属性特征的处理 集成在一起；还有一些算法则从简化处理过程中分解出这些非几何属性独立进行 处理【3 9 , 4 0 1 再用一个重要因子将几何和属性度量准则相结合，该方法的处理速度较 快。 在模型简化过程中，如何度量视觉真实度非常关键。w a t s o ne ta l 3 5 1 用m e t r o 3 6 】 和图像的均方差( m s e ) 来测量和预测视觉真实度，均取得了较好的效果。然而 w a t s o ne ta l 所做的工作只是针对没有纹理的几何模型。带纹理的三维模型要同 时考虑纹理和几何信剧3 7 3 引，最先做这方面的工作应该是b a l m e l l i 3 9 1 ，他综合考 虑了三维地形图的几何和纹理信息，同时简化几何和纹理信息，然后用屏目空间 误差( s c r e e n s p a c ee r r o r ) 来衡量各个层次水平( l o d ) 上的简化模型，虽然这 是一个开创性的工作，但他也只局限于这种细分连接的地形三维图。d i h o n g t i a n l 4 0 】提出一种方法，适合于所有的三维模型。 7 无线网络中三维模型传输机制研究 1 2 2 无线网络中传输协议 8 0 2 1 1 是i e e e 在1 9 9 7 年为无线局域网( w i r e l e s sl a n ) 定义的一个无线网络 通信的工业标准。此后这一标准又不断得到补充和完善，形成8 0 2 1 1 x 的标准系 列。8 0 2 1 l x 标准是现在无限局域网的主流标准，也是w i f i 的技术基础。目前， w l a n 领域主要是i e e e8 0 2 1l x 系列与h i p e r l a n x ( 欧洲无线局域网) 系列 两种标准。8 0 2 1 l x 系列中，最常用的是i e e e8 0 2 1 l a 、i e e e8 0 2 1 1 b 和i e e e 8 0 2 1 l g 。i e e e8 0 2 1 1 b 是为改进其最初推出的无线标准i e e e 8 0 2 1 1 而推出的第 二代无线局域网络协议标准。工作在2 4 g h z 频段内，最大数据传输速率为 1 1 m b p s ，使用范围在室外为3 0 0 m ，在办公环境中为1 0 0 m 。i e e e8 0 2 1 l a 标准 是已在办公室、家庭、宾馆、机场等众多场合得到广泛应用的8 0 2 1 l b 无线局域 网标准的后续标准。8 0 2 1 l a 标准的传输优点是传输速度快，速度可达5 4 m b p s ， 完全能满足语音、数据、图像等业务的需要。缺点是无法与8 0 2 1 i b 兼容，致使 一些早已购买8 0 2 1 l b 标准的无线网络设备在新的8 0 2 1 l a 网络中不能用。由于 8 0 2 1 l b 和8 0 2 1 l a 两者的不互相兼容，i e e e 又正式推出了完全兼容8 0 2 1 l b 标 准且与8 0 2 1 l a 速率上兼容的8 0 2 1 l g 标准，这样通过8 0 2 1 1 9 ，原有的8 0 2 1 l b 和8 0 2 1l a 两种标准的设备就可以在同一网络中使用。i e e e8 0 2 1 l g 同8 0 2 1l b 一样，也工作在2 4 g h z 频段内，比现在通用的8 0 2 1 l b 速度要快出5 倍，并且 与8 0 2 1 l 完全兼容。 然而上述的8 0 2 1 l x 系列和传统有线网络只是在物理层机制不一样，而且是 针对所需要传输的数据的通用方法。为解决三维模型的无差错传输，在网络传输 层，相关研究以改善无线网络中传输协议的性能为基本出发点，提出了若干解决 方法。根据协议改进的机制将这些方案分为三类：端到端解决方案【4 1 ，4 2 】、代理解 决方梨4 3 1 和分立解决方案 4 4 ，4 5 1 。然而，上述大部分相关技术并没有从三维模型 的特性角度来改进协议本身。文献【4 “8 】贝0 结合三维渐进模型的特点设计了一种有 损网络模型传输机制。c h e r t 等 4 6 1 采用了一种混合t c p u d p 传输方法。3 t p t 4 8 】 则在综合考虑通道丢包率和模型可忍受变形的基础上，有效地利用t c p 和u d p 协议选择传输所需数据。 由于三维图形跟视频等多媒体信息一样，在接收端少量的错误对整体的视觉 效果影响不是很大，基于此事实，u d p l i t e 4 9 】被提出，在些协议中，一个数据包 8 无线网络中三维模型传输机制研究 到底需不需要对其载荷进行校验，或者是校验多少位都是由用户控制的。因为任 何数据先通过m a c 层，才能到u d p 层，而且m a c 层也有校验和，所以m a c l i t e 也相应的提出，而且在传输视觉，声音等都取得了较好的效果【5 0 鄹】。 除了上面所述的修改协议本身可以更好的传输图形外，也可以在服务端和客 户端进行差错复原来尽可能减少无线网络丢包对图形质量的影响。在服务端可以 用一些编码技术对将要发送的数据进行保护。如有些方法将模型分为相对独立的 部分【5 6 57 1 ，以确保部分数据丢失不去对其数据产生影响。还有些方法是加入一 些冗余信息，用以恢复丢失的数据，b o p ( b l o c ko fp a c k e t ) 分组技术【5 8 】、冗余 存储连接信息方法f 5 9 】、前向纠错编码( f e c ，f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 6 0 l 、非 均衡前向纠错编码机制( u e p ，u n e q u a le r r o rp r o t e c t i o n ) 【4 8 1 。客户端可以利用已 经收到的正确信息，通过一些技术进行恢复丢掉的信息或纠正错误信息。典型的 如针对较小模型的插值运算【6 1 】方法。一般来说，客户端的恢复方法都会结合服 务端的模型的编码方法来实现，如b i s c h o f f 等【6 2 】则针对点模型根据发送端的冗余 编码信息恢复丢失的数据，p a r k 等人【明在y a h 等刚提出方法的基础上恢复某个 丢失段所造成的影响，还有上述的f e c 编码f e c 编码方法 4 7 , s s 在客户端利用冗 余数据实现了丢失数据的重构。 综上所述，在服务端对模型做相应处理以便传输，主要是对模型进行简化和 压缩，降低三维数据量，对带有纹理和模型，简化后还要考虑纹理和几何模型的 匹配，以便既满足视觉效果又满足带宽的要求。而对于传输，在8 0 2 1l x 系列基 础之上，重点在于克服无线网络的丢包现象和低带宽限制，并且在充分利用三维 模型特征的基础上，设计一种客户端视觉最优化的、低负载的鲁棒传输机制。 1 3 本文工作与章节安排 本文主要研究三维纹理化模型在无线局域网上的传输。主要分为三个大部 分：服务端对模型的处理、模型混合传输协议设计和三维电子商城系统的实现。 ( 1 ) 服务端对模型处理包括几何模型的渐近编码、纹理图像的渐近编码和 带宽一定条件下最优视觉效果匹配。 a ) 本文利用半边折叠操作对纹理化模型进行简化。在选择折叠边的顺 序时，同时考虑了三维图形几何和纹理重要性。纹理图像的渐进编 9 无线网络中三维模型传输机制研究 码是利用我们改进的基于小波的s p i h t 编码方法，该方法可以任意 的设置图像的压缩比，然后在客户端可以重构出低清晰度的图像， 随着传输时间加长，图像慢慢变的清晰。 b )带宽一定条件下的最优视觉效果匹配中的最关键的问题是如何量化 一个三维图形的视觉效果，我们是利用简化后纹理化模型截图和原 始纹理化模型截图的峰值信噪比s p n r 来度量的。实验结果表明， 此方法简单可行。 ( 2 ) 混合传输协议设计主要是修改m a c 层的帧格式，以便更适合纹三维 模型传输。利用理化模型的编码方法，把纹理化模型分为重要的基模型( b a s e m e s h ) 和次重要的一系列顶点分裂序列( v e r t e xs p l i t s ) 。对于重要的基模型，我 们在传统的m a c 帧的基于上加入f e c ，使其安全的传输。而对于