實(shí)時圖像渲染生成技術(shù)研究

覃海寧

摘要：本文對實(shí)時圖像渲染生成技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的探究，從實(shí)時圖像渲染生成技術(shù)的圖像渲染入手，介紹了實(shí)時圖像渲染的原理和實(shí)現(xiàn)的過程，并且簡述了實(shí)時圖像的渲染加速和流程，在考慮到圖像的失真率和遠(yuǎn)程傳輸?shù)睦щy性，本文又對實(shí)時圖像渲染生成技術(shù)做了系統(tǒng)的闡述以方便大家理解和改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：實(shí)時圖像的渲染；實(shí)時圖像生成技術(shù)；計(jì)算機(jī)圖像生成

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）05-0077-02

實(shí)時圖像渲染生成技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)話題，因其在現(xiàn)實(shí)中具有重要的應(yīng)用價值。本文從實(shí)時圖像渲染生成技術(shù)的圖像的渲染入手，簡述了實(shí)時圖像的渲染加速算法和流程，通過實(shí)時圖像的渲染細(xì)節(jié)層次算法和實(shí)時圖像的渲染加速算法描述出整個圖像的渲染技術(shù)，最后又對實(shí)時圖像渲染生成技術(shù)設(shè)計(jì)做了比較系統(tǒng)的闡述。

1 基于圖像的渲染

隨著科技的發(fā)展，實(shí)時圖像的渲染已經(jīng)成為一個學(xué)派，實(shí)時圖像的渲染手法發(fā)展成一種重要的圖像處理方法。渲染最主要的數(shù)據(jù)來源就是圖像。這種實(shí)時圖像的渲染手法最大的優(yōu)勢在于所要渲染的圖像像素?cái)?shù)量與所要繪制圖像的量成正比[1]。

本文使用的IBR代替物方法就是一種以實(shí)物景象圖片為基礎(chǔ)，通過對圖像技術(shù)處理和視覺計(jì)算的方法，直接由繁雜的圖像變?yōu)楹唵螆D像技術(shù)。也就是在經(jīng)過處理后可以把擁有復(fù)雜幾何屬性的立體物體，換成比較簡單的幾何圖形，這樣處理過后可以大大降低圖片中線條和空間屬性復(fù)雜度，來達(dá)到提高圖片渲染效率的效果。

在很早以前就有人提出過利用簡單幾何代替復(fù)雜幾何作為一種加速渲染算法[2]。主要的原理就是把圖像中的立體幾何物體用平面布告板替換，同時用物體的實(shí)時圖像，把實(shí)時圖像紋理貼到布告板上。這樣在計(jì)算工作量上付出是很小的，同時可以渲染和產(chǎn)生實(shí)時圖像的替代物，這就是所為的動態(tài)生成替代物的主要算法和原理。可是，實(shí)時圖像中的視點(diǎn)發(fā)生了改變，如果不能及時隨著視點(diǎn)的改變而改變替代物，那么將會產(chǎn)生很明顯的視差效果。所以急需一種有效衡量替代物的方法。如果只是改變實(shí)時圖像觀察角度，那么就不需要更新或者改變替代物，只需要在不停的改變視點(diǎn)角度的時候，根據(jù)視點(diǎn)變化重新生成變化后的替代物[3]。

計(jì)算中通過重新生成的替代物周圍所包裹的最大和最小點(diǎn)來計(jì)算視點(diǎn)移動的最大和最小角度。這樣視點(diǎn)移動角度的計(jì)算可以被簡化，簡化為更新替代物時視點(diǎn)移動的方向和替代物到更新后視點(diǎn)方向之間的角度。此外，所謂的替代物其本質(zhì)上還是一種實(shí)時圖像的映射方法[4-5]，這樣方法會占用大量的空間和運(yùn)行內(nèi)存，運(yùn)行存儲被占用會出現(xiàn)大量的紋理，會對渲染速度產(chǎn)生嚴(yán)重影響。隨著實(shí)時圖像理論的研究有人提出了一個新的理論叫做紋理拼圖的理念，就是為了節(jié)約內(nèi)存把多幅實(shí)時圖像的紋理壓縮到一張實(shí)時圖像內(nèi)進(jìn)行拼接，這樣有效地緩解了內(nèi)存，提高了渲染速度和對線條的管理效率。

1.1 實(shí)時圖像的渲染細(xì)節(jié)層次算法

實(shí)時圖像的細(xì)節(jié)層次算法是對實(shí)時圖像建立不同精度的實(shí)時圖像模型，在整個過程中把不相關(guān)或者遠(yuǎn)距離的物體用低精度的實(shí)時圖像模型來表示。一般實(shí)時圖像模型精度的選取是根據(jù)實(shí)時圖像上物體到更新后視點(diǎn)的距離。我們把在不同視覺和不同層次的條件下的實(shí)時圖像，采取同一物體用不同精細(xì)程度的實(shí)時圖像模型來表示，加快了實(shí)時圖像渲染速度，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時圖像與視點(diǎn)的實(shí)時交互。目前最新處理方法是實(shí)時圖像群體渲染系統(tǒng)結(jié)合細(xì)節(jié)層次模型與實(shí)時圖像替代物渲染技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)即使圖像具有大量的幾何物體也可以通過實(shí)時模擬來完成的綜合技術(shù)應(yīng)用。

1.2 實(shí)時圖像的渲染加速算法

（1）實(shí)時圖像更新紋理是指應(yīng)用經(jīng)過移動后的替代物在布告板上的更新后的紋理。

（2）實(shí)時圖像更新后替代物紋理高質(zhì)量拼圖大小為M×M（M為3072或5120），每一個更新后代替物對應(yīng)像素空間；利用網(wǎng)狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)把實(shí)時圖像劃分多個區(qū)域，每一個高像素區(qū)域?qū)?yīng)一個更新后的替代物視點(diǎn)。

（3）實(shí)時圖像視點(diǎn)空間負(fù)責(zé)管理每一個網(wǎng)狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)，每一個晶點(diǎn)前段對應(yīng)一塊更新視點(diǎn)替代物的實(shí)時圖像紋理。圖1是替代物實(shí)時圖像的渲染加速算法的總體框架流程圖。其中屏幕分辨率是一個在實(shí)時圖像視點(diǎn)表示與更新替代物表示之間切換中間值域。

由于實(shí)時圖像更新替代物需要快速長時間的置換紋理內(nèi)存空間，并且把更新視角渲染進(jìn)行到紋理之中，實(shí)時圖像的渲染加速算法的核心就是生成視點(diǎn)替代物的進(jìn)一步置換效果。實(shí)時圖像的渲染加速算法的原理是基于紋理拼圖的思想基礎(chǔ)之上的。如圖2所示，將其中一組實(shí)時圖像更新的替代物紋理像素，經(jīng)壓縮存儲在一張實(shí)時圖像紋理拼圖中，并把實(shí)時圖像其劃分為網(wǎng)狀晶體紋理空間圖像。通過視點(diǎn)信息動態(tài)改變，替代物在布告板紋理的實(shí)時坐標(biāo)可以對實(shí)時圖像中的區(qū)域進(jìn)行紋理索引。這樣新生成的視點(diǎn)紋理查詢壓縮存儲以及實(shí)時圖像替代物內(nèi)存利用率速度都會有很大的提升。

2 實(shí)時圖像渲染生成技術(shù)設(shè)計(jì)

實(shí)時圖像渲染生成系統(tǒng)，要求實(shí)時圖像生成置換物和視點(diǎn)，這就要求實(shí)時圖像系統(tǒng)有很高的實(shí)時性。還有一方面網(wǎng)狀驅(qū)動控制面板要放在軸臺面軀體的框架上面，和地面仿真機(jī)要保持一定的有效距離，同時就會帶來兩個難題：一是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)線的輸出會發(fā)生強(qiáng)電壓干擾、傳輸失真、電壓不穩(wěn)等；另一個方面是應(yīng)急驅(qū)動控制面板的實(shí)際重量，已經(jīng)超過了軸臺面軀體的框架所能承受的負(fù)載重量，并且驅(qū)動控制面板會有一定震動，軸臺面軀體沒有抗振能力。

2.1 實(shí)時圖像采集設(shè)備

通過直接采集到的目標(biāo)物及背景音頻視頻圖像數(shù)據(jù)，是不能被直接實(shí)時圖像系統(tǒng)直接識別使用的，首先需要經(jīng)過實(shí)時圖像采集設(shè)備進(jìn)行比對分析，將其轉(zhuǎn)化為網(wǎng)狀入錄圖像，網(wǎng)狀入錄圖像可以被圖像實(shí)時生成軟件識別。

2.2 實(shí)時圖像生成計(jì)算機(jī)設(shè)備

在實(shí)時圖像采集中，一幀實(shí)時圖像生成之前，首先要把收集到的實(shí)時圖像通過半實(shí)物仿真系統(tǒng)的實(shí)時通信網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為仿真信號，實(shí)時圖像生成能夠被計(jì)算機(jī)單元所接收的仿真信號，或者是仿真計(jì)算機(jī)傳送來的置換模式的轉(zhuǎn)換參數(shù)，通過實(shí)時圖像生成軟件系統(tǒng)把實(shí)時圖像上目標(biāo)和背景進(jìn)行合成圖像，并且按照失真率、幾何數(shù)目和系統(tǒng)組件電阻陣列電壓之間的關(guān)系，計(jì)算出一幀紅外實(shí)時圖像數(shù)據(jù)對應(yīng)于系統(tǒng)實(shí)時電壓控制數(shù)據(jù)，然后通過實(shí)時圖像數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程模擬傳輸系統(tǒng)將實(shí)時圖像采集設(shè)備的數(shù)據(jù)傳遞給系統(tǒng)組件電阻陣列控制系統(tǒng)。還有一方面，實(shí)時圖像生成計(jì)算機(jī)設(shè)備在不要求高分辨率時，還可以充當(dāng)實(shí)物視頻采集的設(shè)備，把實(shí)時圖像生成計(jì)算機(jī)設(shè)備與圖像采集單元相連，通過實(shí)時圖像生成計(jì)算機(jī)設(shè)備與分析識別系統(tǒng)將其拍攝的幾何物體及背景視頻收率到影響甄別計(jì)算機(jī)中，并根據(jù)相關(guān)運(yùn)算法則進(jìn)行邊框處理、選定模式和修改參數(shù)，用于實(shí)時圖像直接驅(qū)動或者實(shí)時數(shù)據(jù)鑒別調(diào)用資源庫供計(jì)算機(jī)調(diào)用。

修正運(yùn)算如下：

M=（N）L；

；

進(jìn)行替換k=區(qū)別表示：

；

最終可以得出關(guān)系式：；

式中，M為實(shí)時圖像的像素總數(shù)；N表示實(shí)時圖像的每條像素點(diǎn)數(shù)，L為條數(shù)；F表示實(shí)時圖像水平一維點(diǎn)的擴(kuò)散函數(shù)；b表示實(shí)時圖像信號強(qiáng)度參數(shù)；n表示圖像加性噪聲；k表示圖像修正參數(shù)；g表示修正圖像時引用參數(shù)；kn表示k的代替參數(shù)；表示修正運(yùn)算后實(shí)時圖像；g1、g2分別表示一次和二次引用參數(shù)。

2.3 實(shí)時圖像數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸設(shè)備

實(shí)時圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸設(shè)備是基于視點(diǎn)內(nèi)存網(wǎng)搭建的，其主要的目的是：用于實(shí)時圖像生成系統(tǒng)和系統(tǒng)組件電阻陣列控制系統(tǒng)之間，能夠遠(yuǎn)程傳輸實(shí)時圖像數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)塊。

3 結(jié)語

基于實(shí)時圖像渲染生成技術(shù)發(fā)展的一個熱點(diǎn)。本文介紹了實(shí)時圖像渲染的原理和實(shí)現(xiàn)的過程，又對實(shí)時圖像渲染生成技術(shù)做了詳細(xì)的說明，實(shí)時圖像渲染生成技術(shù)可以取得了比較理想的成像效果。但是也還有不少可以繼續(xù)深入研究的方向等待我們?nèi)ラ_發(fā)。

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