MeshSimp : 基于QEM的交互式网格简化系统

MeshSimp 是一个基于 C++ 和 OpenGL 的网格简化工具。它实现了 SIGGRAPH '97 上提出的二次误差度量 (Quadric Error Metrics, QEM) 算法，并使用现代化的数据结构和工具进行优化。

项目提供 CLI (命令行) 和 GUI (实时交互) 两个版本，分别满足快速处理与算法演示的需求。CLI版用于快速生成目标简化模型，当前在 AMD 5800X 处理器 + WSL 上简化速度可达 ~580k face/s；GUI版支持简化过程的实时可视化，允许用户交互式地控制简化过程，自由角度观察网络拓扑结构的变化。

核心特色

• 核心算法 : 完整复现 SIGGRAPH '97 的 QEM 边收缩算法，能够较好地保持模型的高曲率几何特征。
  • 边界保持 : 对于开放网格 (如地形、面具) 的边缘施加高权重惩罚，防止边界提前退化
  • 面翻转检查 : 检测简化前后面法线的变化，防止面翻转等情况发生产生自交或非流形结构
• 性能优化 : 针对原始 Vertex 和 Face 存储结构，尚未使用半边结构。
  • 优先队列懒删除 : 引入基于顶点的时间戳 (Timestamp) 机制，避免昂贵的堆更新操作，且适配 C++ STL 结构
  • 自适应垃圾回收 : 动态检测优先队列中无效元素比例，自动触发清理和重构，控制内存占用；清理过程通过继承 Hack C++ STL 获取内部容器，从而支持 O(N) 清理和原地重建堆，使垃圾回收操作成为正优化
  • 特殊数据结构维护 : 顶点邻接面 vi2fis ，减少冗余面边访问
  • 网格数据懒删除 : 仅标记简化过程中去除的顶点和退化的面，导出模型时才做最终的压缩；适配 OpenGL 显示，仅向 VBO 和 EBO 更新必要变化
• 双模式支持 : CLI 版和 GUI 版。
  • GUI 交互模式 : 基于 OpenGL 的实时可视化界面，使用 float 单精度计算，支持网格模型选择加载、简化率调整、简化面数动态显示、简化过程暂停/恢复/重置/单步执行、简化结束Error显示、简化模型导出、Trackball 相机视角观察等功能。适合演示和算法调试。
  • CLI 命令行模式 : 去除图形渲染开销，专注算法执行本身，使用 double 双精度计算，提供毫秒级的初始化与简化过程耗时统计。适合批量处理与性能基准测试。

快速开始

依赖

环境依赖

• CMake 3.17+
• C++ 17 编译器
• OpenGL 3.3+
• OpenMP (非核心，可关)

第三方依赖：已于 CMake 中处理

• GLFW 3.4
• GLM 1.0.2
• ImGUI v1.92.5
• tinyobjloader (commit_id = a4e519b0a)
• glad

系统平台

• Unix Like: 已于 WSL - Ubuntu 22.04 中验证
• Windows: 使用 MinGW 工具链验证，可构建，存在问题
  • 目前 Release 模式构建运行时会莫名崩溃，Debug 模式构建可运行

构建

以 Ubuntu 22.04 为例

# 克隆仓库
git clone --recursive [email protected]:Xlucidator/MeshSimp.git
git submodule update --init --recursive  # 若上一步忘加 --recursive
cd MeshSimp

# 编译构建
mkdir build && cd build
cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release ..
make -j$(nproc)

运行

## CLI 模式
# 用法： ./MeshSimp-CLI <输入文件> <输出文件> <简化比例>
./MeshSimp-CLI ../assets/object/Arma.obj Arma_simp.obj 0.01

## GUI 模式
# 用法： ./MeshSimp-GUI 后面按顺序接任意数量参数均可，会自动填入GUI显示内容中
./MeshSimp-GUI
./MeshSimp-GUI ../assets/object/Buddha.obj
./MeshSimp-GUI ../assets/object/Buddha.obj Buddha_simp-0.05.obj

基本流程：点击 Load 加载模型 $\to$ 拖动滑块调整化简 Ratio $\to$ 点击 Initialize 创建简化器 $\to$ 点击 Resume 开始化简 $\to$ 点击 Export 导出模型

相机操作：按住左键滑动鼠标 - 移动物体；按住右键滑动鼠标 - 旋转物体；滚动滚轮 - 缩放/改变距离

性能表现

测试结果来自 scripts/benchmark.py ，该脚本使用事先生成的 MeshSimp-CLI 批量简化 assets/object/ 下所有模型（除 Cube.obj ，其面数过少），统计运行数据并生成结果。测试用 MeshSimp-CLI 开启了 PERF_TEST 宏，该宏关闭了简化循环中的消息输出，可大幅加速简化过程。

下图的简化结果统一设置简化率为 0.2

参考文献

1. Garland, M., & Heckbert, P. S. (1997). Surface simplification using quadric error metrics. SIGGRAPH '97.