基于Android系統(tǒng)的自適應(yīng)跟蹤場景渲染技術(shù)

陸興華，羅文俊，劉仁秋

（廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院，廣東 廣州 511325）

基于Android系統(tǒng)的自適應(yīng)跟蹤場景渲染技術(shù)

陸興華，羅文俊，劉仁秋

（廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院，廣東 廣州 511325）

三維視景仿真和場景渲染是提高Android平臺手機(jī)游戲視景真實性的關(guān)鍵技術(shù)。針對傳統(tǒng)游戲視景的渲染算法實時性差，場景渲染的自適應(yīng)跟蹤性能不佳等問題，提出一種基于網(wǎng)格拓?fù)渥赃m應(yīng)跟蹤的Android系統(tǒng)中的圖像場景渲染技術(shù)。構(gòu)建三維視景渲染引擎，對渲染圖形進(jìn)行紋理特征提取預(yù)處理，采用網(wǎng)格法設(shè)計游戲視景場景拓?fù)洌Y(jié)合靜態(tài)視點圖像的運(yùn)動特征，采用自適應(yīng)跟蹤實現(xiàn)場景渲染。以開發(fā)的某海戰(zhàn)游戲場景為對象進(jìn)行視景仿真，結(jié)果表明，采用該技術(shù)實現(xiàn)海戰(zhàn)游戲視景仿真中爆炸場景的渲染，能觀察整個爆炸仿真過程，視點轉(zhuǎn)換和視點控制流暢，場景繪制逼真，天空和海面效果搭建合理，展示了較好的應(yīng)用價值。

Android系統(tǒng)游戲視景仿真渲染

1 引言

在Android平臺上進(jìn)行手機(jī)游戲開發(fā)成為計算機(jī)信息處理和圖形圖像處理的綜合性研究問題，隨著Android系統(tǒng)手機(jī)廣泛普及和應(yīng)用，相應(yīng)的游戲軟件開發(fā)和投入競爭激烈，對游戲的視景仿真和場景畫面的真實性提出了更高的要求。目前，高速度大存儲智能手機(jī)對游戲軟件的運(yùn)行開銷和速度已經(jīng)不是主要難題，但是對游戲軟件的視景仿真成為當(dāng)前Android系統(tǒng)中手機(jī)游戲軟件開發(fā)的難點，各種手機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)對視景仿真中圖像處理的運(yùn)算速度和水平也提出了更高的要求，例如各種先進(jìn)的三維圖形處理，實時任務(wù)調(diào)度等，都需要一種高速高效的圖像處理算法，提高Android系統(tǒng)中GPU圖像處理的水平。而三維視景仿真和場景渲染是提高游戲視景真實性的關(guān)鍵技術(shù)，因此，研究Android系統(tǒng)中的視景仿真場景渲染算法，在進(jìn)行手機(jī)游戲開發(fā)中具有重要的意義[1]。

目前，在Android系統(tǒng)中進(jìn)行視景仿真的場景渲染主要需要通過應(yīng)用(APP)、剔除(CULL)和繪制(DRAW)三個主要過程，計算游戲場景和模型在渲染畫面中的位置和方向。采用基于GPU的實時圖形渲染引擎，有效地滿足了大型圖形圖像處理的多維運(yùn)算需求，如今隨著科技發(fā)展，GPU實時圖像處理引擎技術(shù)的大存儲功能為完善地創(chuàng)建圖像數(shù)據(jù)庫提供了技術(shù)基礎(chǔ)[2-4]。但是當(dāng)前的渲染算法還不能滿足大景深背景下的視景仿真需求，傳統(tǒng)的游戲視景的場景渲染采用場景狀態(tài)信息的紋理特征提取方法，能夠快速獲取大型游戲場景中的圖像幀畫面，但算法實時性不好，對場景渲染的自適應(yīng)跟蹤性能不好[5]。針對傳統(tǒng)方法出現(xiàn)的問題，本文提出一種基于網(wǎng)格拓?fù)渥赃m應(yīng)跟蹤的Android系統(tǒng)中的圖像場景渲染算法。首先構(gòu)建Android系統(tǒng)建模下的三維視景渲染引擎，對渲染圖形進(jìn)行紋理特征提取預(yù)處理，采用網(wǎng)格法設(shè)計Android系統(tǒng)中游戲視景場景拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合靜態(tài)視點圖像的運(yùn)動特征，采用自適應(yīng)跟蹤實現(xiàn)場景渲染，最后通過仿真實驗進(jìn)行了性能驗證，展示了本文算法在提高Android平臺上手機(jī)游戲視景仿真逼真性方面的優(yōu)越性能。

2 Android系統(tǒng)建模下的三維視景渲染引擎及圖像預(yù)處理

2.1 Android系統(tǒng)建模下的三維視景渲染引擎

為了實現(xiàn)對游戲視景仿真中的實時圖像的GPU渲染，需要首先構(gòu)建Android系統(tǒng)建模下的GPU實時圖形渲染三維圖形觀察器和渲染引擎，進(jìn)行實時圖像采集和分析，使用OpenFlight的建模環(huán)境提供GPU實時圖形渲染三維圖形觀察器，得到一個有二維層次的結(jié)構(gòu)圖。傳統(tǒng)的三維建模軟件，比如MAYA、3DStudio MAX、SoftImage進(jìn)行圖像建模時，通常以視覺效果作為第一建模目的，對圖像的跟蹤渲染的實時性考慮欠佳，結(jié)果渲染這樣一幀畫面可能需要幾十分鐘[6]，對此，本文采用靜態(tài)視點圖像自適應(yīng)跟蹤渲染技術(shù)。三維視景渲染引擎構(gòu)建過程如圖1所示。

圖1 三維視景渲染引擎構(gòu)建過程

根據(jù)圖1所示的流程，在前期采集真實的背景場景狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行特效處理，在此之前，需要進(jìn)行Android系統(tǒng)中游戲視景場景視景仿真的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建，本文進(jìn)行高分辨率拓?fù)渖?，圖形渲染引擎調(diào)度屬性關(guān)系表示為：

在上述分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬場景中的觀察者視線運(yùn)動方程：

通過對圖像自然分層，它包含五個層次：OpenFlight數(shù)據(jù)庫頭層次)、集合層次(Group Level)對象層次、(Object Level)、表面層次(Face Level)和頂點層次(Vertex Level)保留原始圖像的基本信息，根據(jù)顯示列表中存儲的場景狀態(tài)信息和渲染指令，在Android系統(tǒng)中，把游戲場景的場景狀態(tài)信息渲染至幀緩存，作為原始數(shù)據(jù)輸入[7]。

2.2 紋理特征提取預(yù)處理

在上述進(jìn)行Android系統(tǒng)建模下的三維視景渲染引擎構(gòu)建的基礎(chǔ)上，為了創(chuàng)建各種各樣的三維模型，通過可視化仿真實現(xiàn)Android手機(jī)游戲軟件的開發(fā)，需要進(jìn)行圖像紋理特征提取預(yù)處理，進(jìn)行圖像場景的自適應(yīng)跟蹤渲染。

式中，控制兩個渲染場景融合時所占的比例。對色差的量度信息能合理反映

其中，dx表示視差函數(shù)關(guān)于x的平衡參數(shù)，dy表示平衡參數(shù)關(guān)于y的導(dǎo)數(shù)，表示立體匹配中平滑函數(shù)關(guān)于函數(shù)dx的導(dǎo)數(shù)。

3 場景拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及自適應(yīng)跟蹤場景渲染改進(jìn)實現(xiàn)

3.1 基于網(wǎng)格法的游戲視景場景拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用網(wǎng)格法設(shè)計Android系統(tǒng)中游戲視景場景拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，Android系統(tǒng)中游戲視景場景拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，主要是由單層正方形網(wǎng)絡(luò)組成的，游戲視景場景拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分解的網(wǎng)格單元，物理子區(qū)域、網(wǎng)孔以及網(wǎng)孔節(jié)點和網(wǎng)孔[8]。

在Android系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)對視景場景的跟蹤渲染，需要進(jìn)行環(huán)境的背景圖形進(jìn)行三角形分割，對每個4頂點組成的區(qū)域塊需要進(jìn)行三角形分割。游戲視景場景環(huán)境模擬的真實度很大程度上決定于網(wǎng)格的分辨率設(shè)置，本文在盡量高的分辨率狀態(tài)下模擬Android系統(tǒng)中游戲視景場景表面狀態(tài)，其中，不同分辨率的Android系統(tǒng)中游戲視景場景網(wǎng)格效果圖如圖3所示。

圖3 不同分辨率效果圖

根據(jù)圖3，并計算出最大的偏移量，然后將地形多邊形的中點移動到新的位置上，結(jié)合靜態(tài)視點圖像的運(yùn)動特征：

圖2 Android系統(tǒng)中游戲視景場景拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

上式表示像素級視差D的N個元素，那么C和D的共同信息可以表示為：

其中，像素級規(guī)范互相關(guān)函數(shù)為m(x,y)，它表示光線濾波的整數(shù)級視差；表示以x0點為視差傳播的可靠的支撐窗口上的內(nèi)積；表示以x0點為中心的平滑項導(dǎo)數(shù)的范數(shù)。對視景仿真區(qū)域進(jìn)行場景掃描，場景掃描是一個具有時間序列、且不簡單的過程。為了使場景渲染分布場能適應(yīng)各種復(fù)雜場景，采用L1范數(shù)度量場景區(qū)域分布場的第k層，根據(jù)上述描述，構(gòu)建了基于網(wǎng)格法的游戲視景場景拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了自適應(yīng)跟蹤場景渲染算法設(shè)計。

3.2 自適應(yīng)跟蹤場景渲染實現(xiàn)

在多線程Mesh網(wǎng)格中采樣形成歸一化網(wǎng)絡(luò)直線，對環(huán)境模型構(gòu)建實體的每個頂點Z軸方向進(jìn)行流線型放大處理，利用分辨率最高LOD，形成多路徑高分辨率實體環(huán)境對象模型，對對象模型進(jìn)行多坐標(biāo)系集合生成，通過模型層級遞進(jìn)，構(gòu)成LOD高分辨率模型庫。改進(jìn)的Android手機(jī)游戲視景場景的跟蹤渲染關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)描述如下：

結(jié)合紋理映射技術(shù)，通過設(shè)置紋理類型得：

然后對背景光源（Light Source）以及光照模型(Lighting Model)設(shè)置通過創(chuàng)建光源，使視景背景的可見度能隨著環(huán)境變化而改變，光源設(shè)置包括位置設(shè)置和光照范圍設(shè)置，代碼為：

根據(jù)上述設(shè)計，實現(xiàn)了基于Android系統(tǒng)的自適應(yīng)跟蹤場景渲染技術(shù)改進(jìn)。

4 仿真實驗與結(jié)果分析

為了測試本文算法在實現(xiàn)Android系統(tǒng)中手機(jī)游戲視景仿真中的背景場景渲染中的性能，進(jìn)行仿真實驗。仿真實驗建立在在Intel(R)Core(TM)2 Duo CPU E7400，主頻2.80GHz 2.79 GHZ，內(nèi)存1.00 GB配置的PC機(jī)上。結(jié)合Matlab編程實現(xiàn)算法代碼設(shè)計。自然場景圖像采集中系統(tǒng)中使用的CCD攝像頭參數(shù)：感光元件：CMOS；動態(tài)分辨率：1280×960；在進(jìn)行算法設(shè)計和編程中，本文的實驗環(huán)境是處理器VS2008為軟件平臺，將當(dāng)前幀與背景幀相減，建立滑動平均背景模型，將前景點序列codebook_foreground，average_foreground進(jìn)行分析判斷：如果兩個前景序列中都為前景的點，三維Android系統(tǒng)中游戲視景場景環(huán)境虛擬現(xiàn)實視景仿真中，引入多線程技術(shù)，采用過本文設(shè)計方法三維視景渲染引擎構(gòu)建和視景場景圖像的紋理特征提取。設(shè)定的最高分辨率為32×32，LOD可以分為5級。在Multigen Terrain模塊下，在多線程技術(shù)引導(dǎo)下，進(jìn)行模塊化劃分，實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化，使用Vega Prime平臺中Vega Prime FX模塊定制和升級的粒子系統(tǒng)，得到本文開發(fā)的Android手機(jī)某款海戰(zhàn)游戲的視景仿真原始場景圖，如圖4所示。

采用本文方法，對游戲場景進(jìn)行自適應(yīng)跟蹤渲染，特別是對游戲中的爆炸場景進(jìn)行渲染仿真，進(jìn)行紋理特征提取，得到游戲的爆炸場景的紋理特征提取結(jié)果，如圖5所示。

圖5 游戲中爆炸場景紋理特征提取

從圖5可見，采用本文方法進(jìn)行紋理特征提取，能夠快速獲取場景中的圖像幀畫面，細(xì)節(jié)渲染效果較好，以此為基礎(chǔ)，采用網(wǎng)格法設(shè)計Android系統(tǒng)中游戲視景場景拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合靜態(tài)視點圖像的運(yùn)動特征，采用自適應(yīng)跟蹤實現(xiàn)場景渲染，得到結(jié)果如圖6所示。從仿真結(jié)果可見，采用本文方法可以觀察整個仿真過程，視點轉(zhuǎn)換和視點控制也很流暢，場景繪制逼真，天空和海面效果搭建合理，展示了本文方法的有效性。

圖4 某海戰(zhàn)游戲的視景仿真原始場景圖

圖6 視景仿真場景的自適應(yīng)跟蹤渲染結(jié)果

5 結(jié)束語

對游戲軟件的視景仿真成為當(dāng)前Android系統(tǒng)手機(jī)中手機(jī)游戲軟件開發(fā)的難點，三維視景仿真和場景渲染是提高游戲視景真實性的關(guān)鍵技術(shù)，本文提出一種基于網(wǎng)格拓?fù)渥赃m應(yīng)跟蹤的Android系統(tǒng)中的圖像場景渲染算法。首先構(gòu)建Android系統(tǒng)建模下的三維視景渲染引擎，對渲染圖形進(jìn)行紋理特征提取預(yù)處理，采用網(wǎng)格法設(shè)計Android系統(tǒng)中游戲視景場景拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合靜態(tài)視點圖像的運(yùn)動特征，采用自適應(yīng)跟蹤實現(xiàn)場景渲染，最后通過實際開發(fā)的Android手機(jī)海戰(zhàn)游戲仿真實驗進(jìn)行性能測試。研究結(jié)果表明，采用本文方法能有效實現(xiàn)對復(fù)雜游戲場景的視景仿真和渲染，視點轉(zhuǎn)換和視點控制流暢，場景繪制逼真，展示了較好的應(yīng)用價值。

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Adaptive Tracking Scene Rendering Technology Based on Android System

LU Xing-hua，LUO Wen-jun，LIU Ren-qiu
（Huali College Guangdong University of Technology,Guangzhou guangdong 511325,China）

Three dimensional visual simulation and scene rendering is the key technology to improve the visual reality of the mobile game in Android platform.Aiming at the problem of poor real-time rendering algorithm of scene rendering and the poor performance of scene rendering,a new image scene rendering technology based on mesh topology adaptive Android system is proposed.To construct 3D visual rendering engine,the texture feature extraction is used to extract the texture features,and the grid method is adopted to design the topology of the game scene,and the motion features of the static viewpoint images are combined.Taking the development of a sea battle scene as the object of visual simulation,the results show that the use of this technology to realize the scene of the battle game scene simulation in the rendering,can observe the whole explosion simulation process,viewpoint conversion and viewpoint control flow,scene rendering,sky and sea surface effect is reasonable,showing a good application value.

Android system;game;visual simulation;rendering

TP391.9

A

1008-1739（2015）18-72-4

定稿日期：2015-08-26

電子信息創(chuàng)新人才培養(yǎng)實驗區(qū)(粵教高函[2012]204號)；2014年度國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“基于android系統(tǒng)的手機(jī)游戲開發(fā)與實踐”(201413656001)