三維動(dòng)畫圖像紋理實(shí)時(shí)渲染系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孔素然+殷均平

摘 要： 當(dāng)前存在一種特殊圖像紋理快速渲染技術(shù)方法，這種方法與傳統(tǒng)思想不同，融合了硬件圖像紋理的處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了用較少的多邊形組成模型完成高質(zhì)量的動(dòng)畫圖像紋理渲染效果，在提高圖像紋理渲染速度的同時(shí)保證圖像紋理渲染的質(zhì)量。但該方法存在過程較為復(fù)雜的問題。為此，提出一種三維動(dòng)畫圖像紋理實(shí)時(shí)渲染系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該方法首先對(duì)渲染系統(tǒng)進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，硬件由圖像客戶端、圖像管理節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)及計(jì)算節(jié)點(diǎn)組成。通過對(duì)渲染圖像模型紋理相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)繪制像素達(dá)到對(duì)動(dòng)畫圖像紋理渲染的目的，然后對(duì)三維動(dòng)畫圖像紋理渲染利用雙線性算法進(jìn)行計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，提出的對(duì)三維動(dòng)畫圖像紋理實(shí)時(shí)渲染系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法能夠降低三維動(dòng)畫圖像的成本。

關(guān)鍵詞： 三維動(dòng)畫； 節(jié)點(diǎn)； 圖像紋理； 實(shí)時(shí)渲染； 雙線性算法； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN911.73?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）05?0102?04

Abstract： A special image texture fast rendering technique is put forward， which is integrated with hardware processing technology of image texture to realize the high?quality animation image texture rending effect with less polygon composition models， and ensure the image texture rending quality while improving the image texture rending speed. But this method has complex process. Therefore， a design method of 3D animation image texture real?time rendering system is put forward. The hardware system of the rending system was designed by means of this method. The hardware is composed of the image client， image management node， storage node and calculation node. The pixel is drawn for the coordinate point corresponding to the rendering image model texture to realize animation image texture rendering. And then the image texture rendering of 3D animation is calculated with bilinear algorithm. The experimental results show that the designed method of 3D animation image texture real?time rendering system can reduce the cost of the 3D animation image.

Keywords： three?dimensional animation； node； image texture； real?time rendering； bilinear algorithm； system design

0 引 言

隨著時(shí)代的發(fā)展，渲染成為影視動(dòng)漫等三維圖像制作領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，屬于計(jì)算數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)[1]。對(duì)于復(fù)雜的動(dòng)畫圖像和特效，著色渲染需要大量時(shí)間完成，成為動(dòng)畫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。為提高圖像紋理的渲染速度，將運(yùn)行渲染軟件的計(jì)算機(jī)通過高速網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建起一個(gè)圖像紋理渲染系統(tǒng)，為各計(jì)算節(jié)點(diǎn)以同時(shí)存在的方式分配渲染任務(wù)[2]。因此，對(duì)三維動(dòng)畫圖像紋理進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義[3]。

從目前影視動(dòng)漫的發(fā)展情況來看，在硬件性能條件一定的情況下，優(yōu)秀的三維動(dòng)畫圖像紋理實(shí)時(shí)渲染系統(tǒng)能在一定程度上提高該系統(tǒng)的性能[4]。目前已提出多種三維動(dòng)畫圖像紋理實(shí)時(shí)渲染系統(tǒng)[5]。文獻(xiàn)[6]盡可能加快三維動(dòng)畫圖像紋理渲染速度，從而縮短三維動(dòng)畫圖像紋理實(shí)時(shí)渲染的時(shí)間，以提高三維動(dòng)畫圖像紋理實(shí)時(shí)渲染的分辨率。文獻(xiàn)[7]提出對(duì)紋理圖像進(jìn)行Gauss濾波，并將反映紋理信息的高頻頻譜作為高度圖，分別應(yīng)用胡克定律和摩擦力公式計(jì)算虛擬探針對(duì)紋理表面作用的法向力和摩擦力。文獻(xiàn)[8]提出一種圖像處理的紋理觸覺模型，并提出圖像紋理渲染掩膜概念，通過將子圖像與紋理渲染掩膜相對(duì)比，直接對(duì)操作者反饋圖像紋理，有效地對(duì)圖像邊緣和圖像紋理進(jìn)行渲染。并且提出恢復(fù)三維形狀技術(shù)由單幅圖像紋理的信息恢復(fù)紋理的高度，進(jìn)行圖像紋理的渲染。但該方法存在周期較長(zhǎng)的問題。

文獻(xiàn)[9]提出一種針對(duì)圖像紋理渲染的不同圖像圖案設(shè)計(jì)概念與技術(shù)，并改進(jìn)了匹配圖像紋理合成方法，用三維相關(guān)函數(shù)對(duì)圖像紋理的構(gòu)成和分布進(jìn)行分析，確定合成圖像的大小，將不同圖案作為圖像紋理結(jié)構(gòu)約束，利用圖像顏色空間控制圖像色彩的渲染，實(shí)現(xiàn)圖像紋理結(jié)構(gòu)約束的紋理合成，通過選擇兩個(gè)不同圖像進(jìn)行紋理實(shí)驗(yàn)，生成有樣品圖紋理的特征，還能控制圖像色彩變化的不同。但該方法存在成本較高的問題。

針對(duì)上述問題，本文提出一種三維動(dòng)畫圖像紋理實(shí)時(shí)渲染系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，三維動(dòng)畫圖像紋理實(shí)時(shí)渲染系統(tǒng)設(shè)計(jì)在提升圖像渲染的基礎(chǔ)上，降低了三維動(dòng)畫圖像紋理實(shí)時(shí)渲染系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本。

1 三維動(dòng)畫圖像紋理實(shí)時(shí)渲染系統(tǒng)設(shè)計(jì)endprint

1.1 渲染系統(tǒng)整體硬件的構(gòu)建

三維動(dòng)畫圖像紋理實(shí)時(shí)渲染系統(tǒng)的硬件由圖像客戶端、圖像管理節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)及計(jì)算節(jié)點(diǎn)組成。三維動(dòng)畫圖像紋理實(shí)時(shí)渲染系統(tǒng)工作流程如圖1所示，客戶端將由三維制作軟件完成的圖像紋理創(chuàng)作上傳到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，利用管理節(jié)點(diǎn)接口將三維動(dòng)畫圖像紋理渲染任務(wù)交給圖像管理的軟件；管理節(jié)點(diǎn)對(duì)三維動(dòng)畫圖像紋理渲染的管理軟件進(jìn)行圖像紋理渲染作業(yè)的調(diào)度與管理、任務(wù)分發(fā)以及對(duì)三維動(dòng)畫圖像紋理渲染狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；計(jì)算節(jié)點(diǎn)為執(zhí)行三維動(dòng)畫圖像紋理渲染的核心，從管理節(jié)點(diǎn)讀取任務(wù)，并對(duì)三維動(dòng)畫圖像紋理進(jìn)行渲染；存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)圖像紋理渲染系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享以及三維動(dòng)畫圖像存儲(chǔ)管理。

動(dòng)畫控制功能能夠?qū)D像模型的變形進(jìn)行計(jì)算并對(duì)動(dòng)畫圖像進(jìn)行管理。翻譯外部圖像的相關(guān)參數(shù)，使用圖像變形技術(shù)對(duì)圖像情景模塊頂點(diǎn)進(jìn)行修改。此外，動(dòng)畫控制模塊要對(duì)動(dòng)畫播放過程進(jìn)行維護(hù)與管理，對(duì)圖像的定點(diǎn)時(shí)滯與圖像定時(shí)修改進(jìn)行操作，并使用圖像紋理參數(shù)，將圖像數(shù)據(jù)信息傳遞到渲染模塊，使動(dòng)畫效果更加明顯的表現(xiàn)出來。

渲染模塊對(duì)圖像紋理資源進(jìn)行管理，并利用圖像處理與動(dòng)畫控制模塊輸出數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)出視覺的效果。渲染模塊在圖形接口的協(xié)助下對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染，并通過頂點(diǎn)緩存圖像與頂點(diǎn)數(shù)據(jù)圖像對(duì)傳統(tǒng)渲染系統(tǒng)進(jìn)行替代，從而使動(dòng)畫圖像紋理渲染效率得到有效的提升。對(duì)動(dòng)畫圖像著色器進(jìn)行編程，在動(dòng)畫過程中，如果動(dòng)畫控制模塊無法提交有效的圖像紋理渲染，還要對(duì)渲染效果進(jìn)行處理，從而使動(dòng)畫圖像紋理實(shí)時(shí)渲染效果更加明顯。

1） 渲染的軟件。由授權(quán)發(fā)布的跨平臺(tái)三維渲染和動(dòng)畫制作軟件，提供一種強(qiáng)大并足夠勝任圖像紋理渲染的方案，搭建虛擬圖渲染。

2） 三維動(dòng)畫圖像紋理操作系統(tǒng)是一款發(fā)行版的操作系統(tǒng)，具有低成本、周期短等優(yōu)點(diǎn)。尤其是支持渲染硬件系統(tǒng)，擁有超過43 000多個(gè)編譯好的軟件。

3） 該渲染系統(tǒng)選用不同配置設(shè)備作為渲染計(jì)算節(jié)點(diǎn)。由開源開發(fā)板、客戶端、處理器、安裝系統(tǒng)以及平板電腦和智能手機(jī)組成。渲染系統(tǒng)服務(wù)器端與客戶端運(yùn)行在同一PC上。

渲染系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示，服務(wù)器相當(dāng)于圖1中的管理節(jié)點(diǎn)，從客戶端接受初始任務(wù)，并分配任務(wù)給渲染節(jié)點(diǎn)，客戶端制作三維動(dòng)畫圖像提交任務(wù)給管理節(jié)點(diǎn)，待三維動(dòng)畫圖像紋理渲染結(jié)束后收回圖像序列結(jié)果，負(fù)載端為三維動(dòng)畫圖像紋理渲染的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行實(shí)際操作中的三維動(dòng)畫圖像紋理渲染工作。由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)少，因此需要對(duì)服務(wù)器渲染狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，而服務(wù)器和計(jì)算節(jié)點(diǎn)只需進(jìn)行任務(wù)調(diào)度與渲染。所以，三維動(dòng)畫圖像紋理渲染的操作系統(tǒng)以節(jié)省渲染系統(tǒng)硬件的內(nèi)存為主。計(jì)算機(jī)智能設(shè)備沒有網(wǎng)口，所以三維環(huán)境下采用無線路由器TP?Link組建局域網(wǎng)。

1.2 圖像紋理渲染方法的軟件設(shè)計(jì)

要想對(duì)三維動(dòng)畫圖像紋理進(jìn)行渲染，首先要得到動(dòng)畫圖像紋理在三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，最常用的方式就是通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊獲取。同時(shí)，通過對(duì)渲染圖像模型紋理相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)繪制像素達(dá)到三維動(dòng)畫圖像紋理渲染的目的。三維動(dòng)畫圖像紋理的渲染離不開兩個(gè)重要數(shù)據(jù)：圖像紋理的位置坐標(biāo)與該坐標(biāo)相應(yīng)顏色的數(shù)據(jù)。

假設(shè)待渲染的動(dòng)畫圖像紋理處于三維環(huán)境的任意點(diǎn)，同時(shí)將動(dòng)畫圖像紋理管道與虛擬的畫布進(jìn)行銜接。通過動(dòng)畫圖像紋理映射技術(shù)將圖像數(shù)據(jù)映射為：

式中：表示圖像數(shù)據(jù)映射；為圖像數(shù)據(jù)，表示圖像色彩，表示圖像分辨率；為圖像數(shù)據(jù)包。對(duì)三維動(dòng)畫圖像紋理數(shù)據(jù)或圖像數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，得出對(duì)應(yīng)三維動(dòng)畫圖像紋理的信息，將其存入虛擬畫布中，等待渲染。

設(shè)表示圖像數(shù)據(jù)像素位置：

式中：Height為圖像輸入數(shù)據(jù)的圖像高度；Width為圖像輸入數(shù)據(jù)的圖像寬度。依據(jù)上述表達(dá)式能將輸入的Height*Width大小圖像紋理轉(zhuǎn)化到渲染紋理中。三維動(dòng)畫圖像紋理渲染用雙線性算法進(jìn)行計(jì)算。

將式（8）代入式（9）中，得出圖像輸入點(diǎn)像素間的插值。利用求出的值對(duì)三維動(dòng)畫圖像紋理進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用的計(jì)算機(jī)設(shè)備是型號(hào)為Dell Precision5510 Intel Core i5?6300HQ（2.3 GHz/L3 6 MB）的處理器，8 GB DDR4內(nèi)存，Windows 10操作系統(tǒng)以及 NVIDIA Quadro M1000M顯卡芯片，硬盤類型為SATA。

實(shí)驗(yàn)程序使用C語言進(jìn)行編寫。以框架編程為接口，在當(dāng)前三維環(huán)境下進(jìn)行動(dòng)畫圖像紋理渲染設(shè)計(jì)，使用調(diào)試圖像系統(tǒng)性監(jiān)測(cè)工具和分析工具對(duì)圖像進(jìn)行跟蹤程序流程，對(duì)三維動(dòng)畫圖像紋理進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣。

通過上述方法得到三維動(dòng)畫圖像紋理表示的處理圖像，進(jìn)行動(dòng)畫圖像紋理渲染后輸出到虛擬三維環(huán)境中，圖3a）為三維動(dòng)畫圖像紋理采樣圖片，圖3b）是使用濾鏡對(duì)三維動(dòng)畫圖像紋理進(jìn)行渲染的圖像。

通過硬件服務(wù)器測(cè)試三維動(dòng)畫圖像紋理渲染流程、動(dòng)畫圖像紋理和顯示緩沖區(qū)的參數(shù)。圖4是圖像紋理延遲時(shí)間和圖像采樣的濾鏡在緩沖區(qū)像素的計(jì)算結(jié)果。在進(jìn)行三維動(dòng)畫圖像紋理渲染時(shí)出現(xiàn)最高峰值，在峰值最高時(shí)將動(dòng)畫圖像紋理采樣輸入到處理內(nèi)核中，添加線性保護(hù)圖像后，三維動(dòng)畫圖像紋理周期和處理周期相等。

為了在繪圖和圖像紋理處理過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，本文使用工具解析圖像緩沖參數(shù)。表1是圖像紋理參數(shù)緩沖輸入完畢的相關(guān)數(shù)據(jù)。由于在圖像紋理繪制過程中，圖像數(shù)據(jù)通過處理后輸出緩沖，因此，硬件服務(wù)器檢測(cè)到動(dòng)畫圖像紋理等待的時(shí)間為0。表2表示常規(guī)處理流程中動(dòng)畫圖像紋理操作系統(tǒng)為避免線性沖突對(duì)紋理對(duì)象增加的等待時(shí)間。由于繪圖不依賴渲染紋理對(duì)象，不存在線性調(diào)度的問題，因此，檢測(cè)到的動(dòng)畫圖像紋理等待時(shí)間為0。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，本文設(shè)計(jì)的三維動(dòng)畫圖像紋理實(shí)時(shí)渲染系統(tǒng)能夠降低三維動(dòng)畫圖像的成本。

為進(jìn)一步證明所提設(shè)計(jì)方法的有效性，對(duì)不同尺度大小的三維動(dòng)畫圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，渲染效果如表3所示。endprint

在保持三維動(dòng)畫圖像紋理渲染速度相同的情況下，無論三維動(dòng)畫圖像的大小有何變化，三維動(dòng)畫圖像紋理實(shí)時(shí)渲染的效果都不會(huì)改變。

3 結(jié) 語

本文提出三維動(dòng)畫圖像紋理實(shí)時(shí)渲染系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過對(duì)渲染圖像模型紋理相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)繪制像素達(dá)到動(dòng)畫圖像紋理渲染的目的，然后對(duì)三維動(dòng)畫圖像紋理渲染利用雙線性算法進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了將動(dòng)畫圖像融合于三維環(huán)境中，解決了影響三維動(dòng)畫圖像制作周期長(zhǎng)和成本高的問題。三維動(dòng)畫圖像紋理實(shí)時(shí)渲染系統(tǒng)設(shè)計(jì)將在影視動(dòng)漫發(fā)展中具有良好的應(yīng)用前景。

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