基于虛擬現(xiàn)實(shí)的三維動(dòng)畫(huà)圖像多屏顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

瓦力斯·阿布力孜 羅岱

摘 ?要： 為解決傳統(tǒng)多屏顯示系統(tǒng)圖像接收速率過(guò)低、單路圖像輸出速率受限等問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的新型三維動(dòng)畫(huà)圖像多屏顯示系統(tǒng)。利用動(dòng)畫(huà)圖像處理平臺(tái)、規(guī)劃顯示電源、三維多屏SOC顯示模塊的連接方式，完成新型顯示系統(tǒng)的硬件運(yùn)行環(huán)境搭建。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)分割后的三維動(dòng)畫(huà)圖像作為讀取依據(jù)，對(duì)顯示濾波參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置，完成新型顯示系統(tǒng)的軟件運(yùn)行環(huán)境搭建，結(jié)合軟、硬件運(yùn)行單元實(shí)現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)三維動(dòng)畫(huà)圖像多屏顯示系統(tǒng)的搭建。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)多屏顯示系統(tǒng)相比，應(yīng)用基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的新型三維動(dòng)畫(huà)圖像多屏顯示系統(tǒng)后，平均圖像接收速率可以達(dá)到2.5 MB/s，單路圖像輸出速率最大值接近120 MB/s。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí); 三維動(dòng)畫(huà); 圖像顯示; 處理平臺(tái); 圖像分割; 讀取處理

中圖分類號(hào)： TN911.73?34; TP391 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）19?0041?05

Abstract： In order to solve the problems of low image receiving rate and limited output rate of simplex image of the traditional multi?screen display system， a new multi?screen display system of three?dimensional animation image is designed， which is based on virtual reality technology. The animation image processing platform is utilized to plan the connection mode of display power supply and three?dimensional multi?screen SOC display module， and build the hardware operation environment of the new display system. The three?dimensional animation image segmented with virtual reality technology is taken as reading basis to reset the parameters of display filtering. The software running environment of the new display system is built. In combination with the software and hardware operation units， the multi?screen display system of three?dimensional animation image is built， which is based on virtual reality technology. The experimental results show that the average image receiving rate of the new three?dimensional animation multi?screen display system based on virtual reality technology can reach 2.5 MB/s and its maximum simplex image output rate can approach to 120 MB/s.

Keywords： virtual reality; 3D animation; image display; processing platform; image segmentation; reading processing

0 ?引 ?言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)搭建手段，可以通過(guò)創(chuàng)建虛擬景觀的方式，使操作者獲得真實(shí)的感官體驗(yàn)。這種處理技術(shù)通過(guò)多信息融合的方式，搭建交互式的三維動(dòng)態(tài)視景，對(duì)于操作者來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)既是獲取感官數(shù)據(jù)的主要媒介，也是仿真環(huán)境的主要維系對(duì)象。在計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的前提下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為仿真系統(tǒng)的重要組成環(huán)節(jié)，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與傳感網(wǎng)絡(luò)學(xué)的集中表現(xiàn)形式，既富有極強(qiáng)的發(fā)展挑戰(zhàn)性，也能體現(xiàn)多學(xué)科交叉研究的應(yīng)用前景[1?2]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)包含模擬環(huán)境、自然技能、感知、傳感設(shè)備等多個(gè)組成環(huán)節(jié)，可以根據(jù)計(jì)算機(jī)的動(dòng)態(tài)變化情況，對(duì)三維立體逼真圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)維護(hù)。

傳統(tǒng)多屏顯示系統(tǒng)借助ITK與ImageView軟件繪制三維動(dòng)畫(huà)視圖，并通過(guò)單窗口切片的形式對(duì)這些視圖進(jìn)行渲染排列處理，進(jìn)而使待顯示圖像具備一定的擴(kuò)展延伸性。但隨著科學(xué)技術(shù)手段的進(jìn)步，這種傳統(tǒng)系統(tǒng)的圖像接收速率與單路輸出速率始終不能達(dá)到預(yù)期水平。為解決上述問(wèn)題，引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并在SOC顯示模塊、顯示濾波參數(shù)等物理?xiàng)l件的支持下，建立一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的新型三維動(dòng)畫(huà)圖像多屏顯示系統(tǒng)，并通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，突出該新型系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 ?三維動(dòng)畫(huà)圖像多屏顯示系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

動(dòng)畫(huà)圖像處理平臺(tái)、顯示電源、多屏SOC顯示模塊三個(gè)主要單元組成了新型多屏顯示系統(tǒng)的硬件運(yùn)行環(huán)境，其具體搭建方法可按如下步驟進(jìn)行。

1.1 ?動(dòng)畫(huà)圖像處理平臺(tái)設(shè)計(jì)

新型多屏顯示系統(tǒng)的動(dòng)畫(huà)圖像處理平臺(tái)以ARM. Corex.?A15 （CA15）+Neon+處理器作為核心搭建設(shè)備，且隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，該設(shè)備可以根據(jù)動(dòng)畫(huà)圖像的存儲(chǔ)類型，對(duì)待顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行高效集成處理。ARM.Corex.?A15 （CA15）+Neon+處理器具備一定的自定義編程功能，可以按照DSP源代碼對(duì)所有三維動(dòng)畫(huà)圖像進(jìn)行編碼排序，并在所有滿足虛擬現(xiàn)實(shí)傳輸需求的圖像文件后添加.codec腳綴[3?4]。作為新型多屏顯示系統(tǒng)的最大硬件運(yùn)行單元，動(dòng)畫(huà)圖像處理平臺(tái)中也包含一個(gè)微型的3D圖形子系統(tǒng)，可以承載數(shù)量級(jí)不超過(guò)1.5 GHz的內(nèi)核圖像數(shù)據(jù)。3D圖形子系統(tǒng)包含一個(gè)圖像輸入捕捉設(shè)備，可以根據(jù)多屏顯示系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)則對(duì)三維動(dòng)畫(huà)圖像進(jìn)行一定的物理壓縮，以保證SOC模塊中能夠出現(xiàn)完整的顯示畫(huà)面。詳細(xì)動(dòng)畫(huà)圖像處理平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 ?顯示電源設(shè)計(jì)

顯示電源是新型三維動(dòng)畫(huà)圖像多屏顯示系統(tǒng)中最大的硬件執(zhí)行單元，包含一個(gè)額定電壓為40 V的集成開(kāi)關(guān)、一個(gè)MOSFET功率消耗電阻、一個(gè)LDO單片式高壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。其中，集成開(kāi)關(guān)直接作用于硬件運(yùn)行單元中的電壓監(jiān)控器，可以從根本上緩解由多屏顯示圖像讀取處理帶來(lái)的系統(tǒng)散熱，并且在開(kāi)關(guān)保持連續(xù)閉合狀態(tài)的情況下，為MOSFET功率消耗電阻提供合理的多屏圖像信息[5?6]。MOSFET功率消耗電阻的阻值始終保持在100 kΩ～2.5 MΩ之間，且可以根據(jù)動(dòng)畫(huà)圖像處理平臺(tái)中運(yùn)行數(shù)據(jù)的承載條件，自行調(diào)節(jié)接入電路部分的電阻阻值，進(jìn)而達(dá)到控制系統(tǒng)中顯示電流的目的。LDO單片式高壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器作為集成開(kāi)關(guān)的附屬結(jié)構(gòu)，可以對(duì)系統(tǒng)顯示電源的額定電壓進(jìn)行嚴(yán)格限制，并在多屏顯示系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，使電源模塊供電量具備較低的占空比。顯示電源結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 ?三維多屏SOC顯示模塊設(shè)計(jì)

三維多屏SOC顯示模塊是整個(gè)三維動(dòng)畫(huà)圖像顯示系統(tǒng)硬件運(yùn)行環(huán)節(jié)的末尾單元，可以通過(guò)投影處理的方式匯總上層處理單元中的物理信息數(shù)據(jù)。當(dāng)動(dòng)畫(huà)圖像處理平臺(tái)發(fā)出運(yùn)行指令后，顯示電源中的集成開(kāi)關(guān)會(huì)在瞬間轉(zhuǎn)換為連接狀態(tài)，并在系統(tǒng)電源的促進(jìn)下對(duì)三維動(dòng)畫(huà)圖像處理信息進(jìn)行高效傳輸[7?8]。對(duì)于三維多屏SOC顯示模塊來(lái)說(shuō)，上級(jí)執(zhí)行單元的匯總信息既是網(wǎng)格、顏色等物理信息的選擇標(biāo)準(zhǔn)，也是校正圖像紋理的主要依據(jù)條件，具體模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。作為三維多屏SOC顯示模塊的核心搭建設(shè)備，Direct3D9裝置可以顯示API，DXUT，Shade等多種形式的三維動(dòng)畫(huà)圖像信息，也能夠在圖像完整性校驗(yàn)的過(guò)程中，確定最終顯示動(dòng)畫(huà)圖像的相關(guān)物理信息。整合上述所有硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)新型三維動(dòng)畫(huà)圖像多屏顯示系統(tǒng)的硬件運(yùn)行環(huán)境搭建。

2 ?三維動(dòng)畫(huà)圖像多屏顯示系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在硬件運(yùn)行環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)圖像分割、顯示圖像讀取處理、顯示濾波參數(shù)設(shè)置三個(gè)步驟，完成新型多屏顯示系統(tǒng)的軟件運(yùn)行環(huán)境搭建。

3.1 ?實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的具體設(shè)定情況如表1所示。

表1中EET參數(shù)代表實(shí)驗(yàn)時(shí)間，TSC參數(shù)代表三維動(dòng)畫(huà)模擬系數(shù)，IRR參數(shù)代表平均圖像接收速率理想極值，RDA參數(shù)代表三維動(dòng)畫(huà)現(xiàn)實(shí)系數(shù)，IOR參數(shù)代表單路圖像輸出速率理想極值。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的絕對(duì)公平性，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組實(shí)驗(yàn)參數(shù)始終保持一致。

3.2 ?平均圖像接收速率對(duì)比

在三維動(dòng)畫(huà)模擬系數(shù)為0.67的條件下，以70 min作為實(shí)驗(yàn)時(shí)間，分別記錄在該段時(shí)間內(nèi)，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組系統(tǒng)后，平均圖像接收速率的變化情況。詳細(xì)對(duì)比結(jié)果如表2所示。

對(duì)比表1，表2可知，實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)平均圖像接收速率起始值、結(jié)束值間的差值為0.6 MB/s，在20～50 min之間時(shí)，平均圖像接收速率呈現(xiàn)階梯狀下降的趨勢(shì)，下降幅度為0.1 MB/s，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，平均圖像接收速率的最大值為2.5 MB/s，超過(guò)理想極值2.3 MB/s。對(duì)照組系統(tǒng)平均圖像接收速率起始值、結(jié)束值間的差值為-0.1 MB/s，低于實(shí)驗(yàn)組，在5～60 min之間時(shí)，平均圖像接收速率呈現(xiàn)循環(huán)下降、上升的變化趨勢(shì)，下降、上升幅度均為0.4 MB/s，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，平均圖像接收速率的最大值為1.6 MB/s，低于理想極值2.3 MB/s。綜上可知，在三維動(dòng)畫(huà)模擬系數(shù)為0.67的條件下，應(yīng)用基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)三維動(dòng)畫(huà)圖像多屏顯示系統(tǒng)后，平均圖像接收速率的最大值提升了0.9 MB/s。

3.3 ?單路圖像輸出速率對(duì)比

在三維動(dòng)畫(huà)現(xiàn)實(shí)系數(shù)為0.94的條件下，以70 min作為實(shí)驗(yàn)時(shí)間，分別記錄在該段時(shí)間內(nèi)，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組系統(tǒng)后，單路圖像輸出速率的變化情況。詳細(xì)對(duì)比結(jié)果如表3所示。

對(duì)比表1，表3可知，實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)單路圖像輸出速率起始值、結(jié)束值間的差值為5.7 MB/s，在35～40 min，45～50 min之間時(shí)，單路圖像輸出速率均呈現(xiàn)明顯上升的變化趨勢(shì)，上升幅度均為4.7 MB/s，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，平均圖像接收速率的最大值為119.9 MB/s，超過(guò)理想極值4.8 MB/s。對(duì)照組系統(tǒng)單路圖像輸出速率起始值、結(jié)束值間的差值為0.9 MB/s，低于實(shí)驗(yàn)組，在25～40 min之間時(shí)，單路圖像輸出速率呈現(xiàn)逐漸上升的變化趨勢(shì)，上升幅度為2.7 MB/s，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，單路圖像輸出速率的最大值為108.3 MB/s，低于理想極值6.8 MB/s。綜上可知，在三維動(dòng)畫(huà)現(xiàn)實(shí)系數(shù)為0.94的條件下，應(yīng)用基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)三維動(dòng)畫(huà)圖像多屏顯示系統(tǒng)后，單路圖像輸出速率的最大值提升了11.6 MB/s。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

在ARM.Corex.?A15（CA15）+Neon+處理器、MOSFET功率消耗電阻等硬件設(shè)備的支持下，新型三維動(dòng)畫(huà)圖像多屏顯示系統(tǒng)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行充分的運(yùn)用發(fā)揮，并通過(guò)設(shè)置顯示濾波參數(shù)等手段，將系統(tǒng)的軟件執(zhí)行環(huán)境調(diào)試至最佳運(yùn)行狀態(tài)。從實(shí)用性方面來(lái)看，這種新型系統(tǒng)有效解決了圖像接收速率低、單路圖像輸出速率不佳等問(wèn)題，具備較強(qiáng)的推廣可行性。

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