基于多線程交互的Android動態(tài)視點隨動技術(shù)

陸興華　羅文俊　劉仁秋

摘 要：在Android平臺下進行手機游戲開發(fā)的核心問題是對游戲中視景仿真界面進行動態(tài)視點隨動，保證視景界面的逼真性。傳統(tǒng)方法中對手機游戲中視景圖像的視點隨動采用亮點跟蹤方法，對觀察者視線范圍的限定較大，在當(dāng)前亮點的視線范圍內(nèi)視景渲染效果不好。提出一種基于多線程邊緣輪廓特征信息交互的Android手機游戲視景仿真動態(tài)視點隨動技術(shù)，基于Android平臺進行手機游戲虛擬視景仿真的參數(shù)模型構(gòu)建，提取游戲視景圖像的邊緣輪廓特征信息，進行多線程信息交互，基于多層次細節(jié)渲染方法實現(xiàn)對游戲視景場景的動態(tài)視點隨動跟蹤。仿真實驗表明，采用該技術(shù)進行模擬海洋戰(zhàn)爭環(huán)境下的手機游戲開發(fā)，能有效實現(xiàn)對手機游戲視景中艦艇目標(biāo)的動態(tài)視點隨動，視點附連在場景運動體上，視景逼真度較好，性能優(yōu)越。

關(guān)鍵詞：Android平臺；視景仿真；渲染；動態(tài)視點

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-2163（2015）06-

Abstract： In the Android platform the core of the problem for mobile game development is on game visual simulation interface of dynamic viewpoint with dynamic， assurance the fidelity of the scene interface. Traditional methods in visual image of mobile phone game viewpoint follow-up by bright spot tracking method， the observation limit of line of sight range is larger， in the line of sight range related to current bright spot optic scene rendering effect is not good. A dynamic viewpoint of Android mobile game based on multi thread edge contour information is proposed. Firstly， the parameters model is constructed to extract the edge contour feature information from the visual image of the game. The simulation experiments show that the mobile game development can be realized by using the technology to simulate the mobile phone game development， and it can realize the dynamic viewpoint of the target in the mobile game.

Keywords： Android platform； Visual Simulation； Rendering； Dynamic Viewpoint

0 引言

隨著計算機圖像處理技術(shù)的發(fā)展，采用圖形與圖像處理技術(shù)，進行視景仿真實現(xiàn)虛擬場景的重構(gòu)和再現(xiàn)，在游戲開發(fā)和軍事演練等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，當(dāng)前，Android平臺上的手機游戲開發(fā)成為視景仿真應(yīng)用的一個重要方向，Android平臺上的手機游戲開發(fā)是結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)和控制技術(shù)實現(xiàn)游戲各種功能的應(yīng)用和場景的虛擬再現(xiàn)。Android平臺上的手機游戲具有多感知性、交互性、構(gòu)想性，研究手機游戲虛擬場景仿真技術(shù)，實現(xiàn)對動態(tài)視點的隨動和跟蹤渲染，在跟隨、旋轉(zhuǎn)和固定偏移的運動模式下，對游戲中視景仿真界面進行動態(tài)視點隨動，保證視景界面的逼真性，相關(guān)的算法研究受到人們的重視[1-3]。

傳統(tǒng)方法中，對機游戲中視景圖像的視點隨動采用亮點跟蹤方法、小生境算法、LOD渲染和網(wǎng)格渲染算法等。該類算法主要是通過對手機游戲虛擬場景的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)進行視景重構(gòu)，采用GPU實時圖像跟蹤渲染算法進行偏移量測試，提高了視點的隨動性能，但是當(dāng)虛擬場景的復(fù)雜度較高時，動態(tài)視點隨動跟蹤渲染的效果不好[4-6]。采用亮點跟蹤算法對觀察者視線范圍的限定較大，在當(dāng)前亮點的視線范圍內(nèi)視景渲染效果不好。針對上述問題，本文提出一種基于多線程邊緣輪廓特征信息交互的Android手機游戲視景仿真動態(tài)視點隨動技術(shù)，首先進行基于Android平臺的手機游戲虛擬視景仿真的參數(shù)模型構(gòu)建，提取游戲視景圖像的邊緣輪廓特征信息，進行多線程信息交互，基于多層次細節(jié)渲染方法實現(xiàn)對游戲視景場景的動態(tài)視點隨動跟蹤，仿真實驗進行了性能測試，展示了本文算法在手機游戲視景仿真和視點隨動跟蹤中的優(yōu)越性能，視景仿真的逼真度較高。

1 視景場景仿真的參數(shù)體系和物理模型構(gòu)建

1.1 基于Android的手機游戲視景仿真功能模型

為了實現(xiàn)對手機游戲虛擬場景的視景仿真和三維建模，需要首先構(gòu)建手機游戲虛擬場景仿真的三維參數(shù)體系，選擇合適的方法求得各個建模點的分布參數(shù)。手機游戲的虛擬場景仿真的三維建模軟件采用MAYA、3DStudio MAX，基于Android的手機游戲視景仿真的設(shè)計性能指標(biāo)支持邏輯篩選、分離面裁剪、紋理動畫序列等功能，進行矢量編輯和建模過程中，通過輸入類似地圖矢量數(shù)據(jù)等手機游戲開發(fā)的原始信息數(shù)據(jù)，高效地生成、編輯手機用戶所感興趣的模擬區(qū)域，在限定的范圍內(nèi)隨機放置某些物體進行視景伴隨跟蹤[7]，手機游戲虛擬場景的三維建模的主要步驟描述如圖1所示。

根據(jù)圖1可見，對手機游戲虛擬場景三維建模中參數(shù)體系設(shè)計是關(guān)鍵，這里假設(shè) 是一個手機游戲虛擬場景建模的三角網(wǎng)模型貢獻點， 表示 在限定模型邊界范圍的游戲界面的視景微小建模點，手機游戲虛擬場景視景模型由大量的虛擬場景構(gòu)成，需要首先生成表述手機游戲的虛擬場景數(shù)據(jù)的三維體紋理數(shù)據(jù)，在當(dāng)前視點視線范圍內(nèi)，定義模型邊界范圍的圖像序列表示式為：

式中， 表示 的觀測值， 為觀察者視線范圍的時間參數(shù)（ ）， 表示手機游戲虛擬場景的位置參數(shù)（ ），采用STARMA模型進行手機游戲虛擬場景的三維立體數(shù)據(jù)建模[8-10]。把需要繪制的場景狀態(tài)信息和渲染指令輸入到場景數(shù)據(jù)庫中，得到手機游戲虛擬場景模型數(shù)學(xué)表達式為：

式中， 表示 時刻觀測值的 維向量，通過模型多邊形，紋理等信息的重構(gòu)，對手機游戲中的圖像場景的紋理和背景區(qū)域進行多維透視變換處理，紋理和背景的三維控制由常數(shù) 、 、 、 、 組成的矩陣向量。進而將場景圖像數(shù)據(jù)繪制到顯示終端，在網(wǎng)格點所在的位置進行空間插值后，進入下一幀的渲染循環(huán)，圖像場景渲染的迭代式為：

上式中， 為手機游戲虛擬場景的三維體紋理數(shù)據(jù)， 為手機游戲虛擬場景附著物幾何表面沿法向向外偏移向量。通過上述方法進行基于Android平臺下手機游戲開發(fā)視景仿真，用Creator的Terrain菜單模塊， 打開需要的工程文件，進行游戲開發(fā)，整個游戲視景仿真的文件的組成如圖2所示。

1.2 游戲視景的物理模型建模

在上述進行基于Android平臺下手機游戲開發(fā)視景仿真的總體描述和渲染設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行物理模型建模。在物理模型建模之前，首先將場景數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)（如模型多邊形，紋理等）渲染至幀緩存，按照LOD方法進行多層次細節(jié)管理，三維手機游戲虛擬場景的多層次細節(jié)LOD映射過程為：

其中， 表示三維手機游戲虛擬場景圖形渲染引擎中的原始點， 為三維手機游戲虛擬場景的模型映射點。使用OpenFlight建模環(huán)境得到三維手機游戲虛擬場景的全局最佳重構(gòu)路徑，采用網(wǎng)格矢量裁剪的方法求取整個場景中的高分辨率像素信息，得到不同分辨率下的視景場景的網(wǎng)格重構(gòu)圖如圖3所示。

在確定網(wǎng)格分辨率時，通常離觀察者近的地方保持較高的分辨率，在Lynx Prime面板中需要創(chuàng)建MarineWaveGeneratorFFT，在機器視覺下進行動態(tài)視點觀測，得到手機游戲虛擬場景的物理模型渲染網(wǎng)格權(quán)重為：

其中， 為所需視野范圍的大小， 為給定網(wǎng)格渲染點數(shù)，設(shè)定渲染個數(shù)、紋理、周期，基于多層次細節(jié)（LOD）渲染，得到Android動態(tài)視點跟蹤的目標(biāo)場為：

其中， 為待貼紋理序列個數(shù)， 為嵌入維數(shù)， 為時間延遲，隨著視線繞Z坐標(biāo)軸方向轉(zhuǎn)動，進行動態(tài)視點跟蹤。

2 多線程交互的Android動態(tài)視點隨動技術(shù)改進實現(xiàn)

在上述進行了游戲視景仿真和物理模型重構(gòu)的基礎(chǔ)上，進行手機游戲視景的動態(tài)視點隨機設(shè)計，對游戲中視景仿真界面進行動態(tài)視點隨動，保證視景界面的逼真性。傳統(tǒng)方法中對手機游戲中視景圖像的視點隨動采用亮點跟蹤方法，對觀察者視線范圍的限定較大，在當(dāng)前亮點的視線范圍內(nèi)視景渲染效果不好。為了克服傳統(tǒng)方法的弊端，本文提出一種基于多線程邊緣輪廓特征信息交互的Android手機游戲視景仿真動態(tài)視點隨動技術(shù)，通過提取游戲視景圖像的邊緣輪廓特征信息，進行多線程信息交互，游戲視景圖像的邊緣輪廓特征信息的提取過程描述為如下，首先假設(shè)在手機游戲虛擬場景表面網(wǎng)格面中有2×2個像素點，得到的全部幀圖像在 處的灰度值為：

即 分別表示能見度 左邊和上邊的一階鄰域像素灰度值，在Lynx Prime中設(shè)置能見度范圍，來模擬各種光照強度下的手機游戲視景界面的色差，進行M-1次傳遞迭代，得到手機游戲虛擬場景的成像分辨率：

根據(jù)上述方法，將圖像的亮點模型進行靜態(tài)視點平滑處理，根據(jù)視景圖像的位置、尺度、主方向等信息，采用多線程信息交互，實現(xiàn)動態(tài)視點隨動跟蹤和定位。最后，進行手機游戲開發(fā)實現(xiàn)，在OpenFlight的建模環(huán)境提供了三維圖形觀察器，靈活地加速數(shù)據(jù)庫的組織、模型，用極少的四邊形構(gòu)成高程網(wǎng)格圖模擬動態(tài)視點的對應(yīng)頂點。為了增強圖像的真實感，使用紋理映射技術(shù)，提高圖形顯示的刷新頻率。為了避免當(dāng)視線轉(zhuǎn)動到法向垂直時，這個面就變成一條直線的情況，通過Geometry Tools把面變換為體，選擇了按邊旋轉(zhuǎn)的方式，由此實現(xiàn)基于多線程邊緣輪廓特征信息交互的Android手機游戲視景仿真動態(tài)視點隨動。

3 仿真實驗與性能分析

為了測試本文算法在實現(xiàn)Android手機游戲視景仿真的動態(tài)視點隨動跟蹤定位中性能，進行仿真實驗，實驗的硬件環(huán)境為：Intel Core2雙核 T5550 CPU，2GB DDRII內(nèi)存，NVIDIA GeForce 8400M GS。軟件采用的是Vega Prime軟件進行視景仿真，通過Creator的Raster to DED工具進行實體模型建模。本文開發(fā)的手機游戲為一個模擬海上作戰(zhàn)的手機游戲，為了使得動態(tài)視點將停留在其所指定的坐標(biāo)位置上，需要進行動態(tài)視點隨動處理，首先構(gòu)建游戲的三維物理模型，如圖4所示。

在上述模擬模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，在Android客戶端進行游戲開發(fā)，通過函數(shù)可以對視點位置進行設(shè)置、變更，設(shè)置觀察位置：

m_lookAt->setTranslate（600，400，100）

設(shè)置觀察角度：

m_lookAt->setRotate（90，0，0）

仿真系統(tǒng)中，對于單一的背景聲音采用Win32 API函數(shù)來實現(xiàn)，基于多層次細節(jié)渲染方法實現(xiàn)對游戲視景場景的動態(tài)視點隨動跟蹤，在游戲場景中繪制逼真，天空和海面效果，得到本文方法進行相對動態(tài)視點隨動的視景仿真效果圖如圖5所示。從圖可見，采用本文方法進行手機游戲視景的動態(tài)視點隨動，視點附連在場景運動體上，能有效實現(xiàn)包括跟隨、旋轉(zhuǎn)和固定偏移三種相對運動方式，具有較好的逼真性能。

4 結(jié)語

本文結(jié)合在Android平臺下進行手機游戲開發(fā)項目進行動態(tài)視點隨動技術(shù)改進，優(yōu)化視景仿真效果，本文提出一種基于多線程邊緣輪廓特征信息交互的Android手機游戲視景仿真動態(tài)視點隨動技術(shù)，首先進行基于Android平臺的手機游戲虛擬視景仿真的參數(shù)模型構(gòu)建，提取游戲視景圖像的邊緣輪廓特征信息，進行多線程信息交互，基于多層次細節(jié)渲染方法實現(xiàn)對游戲視景場景的動態(tài)視點隨動跟蹤，仿真結(jié)果表明，該技術(shù)能有效實現(xiàn)對手機游戲視景的動態(tài)視點隨動，視點附連在場景運動體上，手機游戲開發(fā)的視景逼真度較好，性能優(yōu)越。

參考文獻

[1] 李志丹，和紅杰，尹忠科，等. 基于塊結(jié)構(gòu)稀疏度的自適應(yīng)圖像修復(fù)算法[J].電子學(xué)報，2013，41（3）：549-554.

[2] 盂勃，韓廣良. 基于改進的尺度不變特征變換特征點匹配的電子穩(wěn)像算法[J].計算機應(yīng)用，2012，32（10）： 2817-2820.

[3] 王俊， 朱利. 基于圖像匹配-點云融合的建筑物立面三維重建[J].計算機學(xué)報， 2012，35（10）： 2072-2079.

[4] 羅澤峰，單廣超.基于網(wǎng)絡(luò)和虛擬多媒體技術(shù)的海戰(zhàn)平臺視景仿真實現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（3）：91-92，94.

[5] 馮曉萌，吳玲達，于榮歡，等. 直接體繪制中增強深度感知的網(wǎng)格投影算法[J]. 電子與信息學(xué)報， 2015， 37（11）： 2548-2554.

[6] 葛立志.基于全彈道控制分析的水下航行器攻擊模型視景仿真[J].艦船電子工程，2015，35（3）：137-141.

[7] 房娟， 劉洪英， 陳增淦， 等. 基于顯微高光譜成像技術(shù)的運動和感覺神經(jīng)分類研究[J]. 影像科學(xué)與光化學(xué)， 2015， 33（3）： 203-210.

[8] 張廣燕， 王俊平， 邢潤森， 等. PSLIP新模型及在邊緣檢測和圖像增強中的應(yīng)用[J]. 電子學(xué)報， 2015， 43（2）： 377-382.

[9] AMENT M， SADLO F， DACHSBACHER C， et al.. Low-pass filtered volumetric shadows[J]. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics， 2014， 20（12）： 2437-2446.

[10] KERSTEN-OERTEL M， CHEN S J， COLLINS D L. An evaluation of depth enhancing perceptual cues for vascular volume visualization in neurosurgery[J]. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics， 2014， 20（3）： 391-403.