基于Android系統的自適應跟蹤場景渲染技術

陸興華，羅文俊，劉仁秋

（廣東工業大學華立學院，廣東 廣州 511325）

基于Android系統的自適應跟蹤場景渲染技術

陸興華，羅文俊，劉仁秋

（廣東工業大學華立學院，廣東 廣州 511325）

三維視景仿真和場景渲染是提高Android平臺手機游戲視景真實性的關鍵技術。針對傳統游戲視景的渲染算法實時性差，場景渲染的自適應跟蹤性能不佳等問題，提出一種基于網格拓撲自適應跟蹤的Android系統中的圖像場景渲染技術。構建三維視景渲染引擎，對渲染圖形進行紋理特征提取預處理，采用網格法設計游戲視景場景拓撲，結合靜態視點圖像的運動特征，采用自適應跟蹤實現場景渲染。以開發的某海戰游戲場景為對象進行視景仿真，結果表明，采用該技術實現海戰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，展示了較好的應用價值。

Android系統游戲視景仿真渲染

1 引言

在Android平臺上進行手機游戲開發成為計算機信息處理和圖形圖像處理的綜合性研究問題，隨著Android系統手機廣泛普及和應用，相應的游戲軟件開發和投入競爭激烈，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對游戲軟件的運行開銷和速度已經不是主要難題，但是對游戲軟件的視景仿真成為當前Android系統中手機游戲軟件開發的難點，各種手機應用系統對視景仿真中圖像處理的運算速度和水平也提出了更高的要求，例如各種先進的三維圖形處理，實時任務調度等，都需要一種高速高效的圖像處理算法，提高Android系統中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鍵技術，因此，研究Android系統中的視景仿真場景渲染算法，在進行手機游戲開發中具有重要的意義[1]。

目前，在Android系統中進行視景仿真的場景渲染主要需要通過應用(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算需求，如今隨著科技發展，GPU實時圖像處理引擎技術的大存儲功能為完善地創建圖像數據庫提供了技術基礎[2-4]。但是當前的渲染算法還不能滿足大景深背景下的視景仿真需求，傳統的游戲視景的場景渲染采用場景狀態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跟蹤性能不好[5]。針對傳統方法出現的問題，本文提出一種基于網格拓撲自適應跟蹤的Android系統中的圖像場景渲染算法。首先構建Android系統建模下的三維視景渲染引擎，對渲染圖形進行紋理特征提取預處理，采用網格法設計Android系統中游戲視景場景拓撲結構，結合靜態視點圖像的運動特征，采用自適應跟蹤實現場景渲染，最后通過仿真實驗進行了性能驗證，展示了本文算法在提高Android平臺上手機游戲視景仿真逼真性方面的優越性能。

2 Android系統建模下的三維視景渲染引擎及圖像預處理

2.1 Android系統建模下的三維視景渲染引擎

為了實現對游戲視景仿真中的實時圖像的GPU渲染，需要首先構建Android系統建模下的GPU實時圖形渲染三維圖形觀察器和渲染引擎，進行實時圖像采集和分析，使用OpenFlight的建模環境提供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構圖。傳統的三維建模軟件，比如MAYA、3DStudio MAX、SoftImage進行圖像建模時，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，本文采用靜態視點圖像自適應跟蹤渲染技術。三維視景渲染引擎構建過程如圖1所示。

圖1 三維視景渲染引擎構建過程

根據圖1所示的流程，在前期采集真實的背景場景狀態參數數據，進行特效處理，在此之前，需要進行Android系統中游戲視景場景視景仿真的拓撲結構構建，本文進行高分辨率拓撲生成，圖形渲染引擎調度屬性關系表示為：

在上述分析的基礎上，結合虛擬場景中的觀察者視線運動方程：

通過對圖像自然分層，它包含五個層次：OpenFlight數據庫頭層次)、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，根據顯示列表中存儲的場景狀態信息和渲染指令，在Android系統中，把游戲場景的場景狀態信息渲染至幀緩存，作為原始數據輸入[7]。

2.2 紋理特征提取預處理

在上述進行Android系統建模下的三維視景渲染引擎構建的基礎上，為了創建各種各樣的三維模型，通過可視化仿真實現Android手機游戲軟件的開發，需要進行圖像紋理特征提取預處理，進行圖像場景的自適應跟蹤渲染。

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表示視差函數關于x的平衡參數，dy表示平衡參數關于y的導數，表示立體匹配中平滑函數關于函數dx的導數。

3 場景拓撲結構及自適應跟蹤場景渲染改進實現

3.1 基于網格法的游戲視景場景拓撲結構

采用網格法設計Android系統中游戲視景場景拓撲結構，Android系統中游戲視景場景拓撲結構如圖2所示。拓撲結構中，主要是由單層正方形網絡組成的，游戲視景場景拓撲結構分解的網格單元，物理子區域、網孔以及網孔節點和網孔[8]。

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

圖3 不同分辨率效果圖

根據圖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，結合靜態視點圖像的運動特征：

圖2 Android系統中游戲視景場景拓撲結構

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，像素級規范互相關函數為m(x,y)，它表示光線濾波的整數級視差；表示以x0點為視差傳播的可靠的支撐窗口上的內積；表示以x0點為中心的平滑項導數的范數。對視景仿真區域進行場景掃描，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各種復雜場景，采用L1范數度量場景區域分布場的第k層，根據上述描述，構建了基于網格法的游戲視景場景拓撲結構，并進行了自適應跟蹤場景渲染算法設計。

3.2 自適應跟蹤場景渲染實現

在多線程Mesh網格中采樣形成歸一化網絡直線，對環境模型構建實體的每個頂點Z軸方向進行流線型放大處理，利用分辨率最高LOD，形成多路徑高分辨率實體環境對象模型，對對象模型進行多坐標系集合生成，通過模型層級遞進，構成LOD高分辨率模型庫。改進的Android手機游戲視景場景的跟蹤渲染關鍵技術實現描述如下：

結合紋理映射技術，通過設置紋理類型得：

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

根據上述設計，實現了基于Android系統的自適應跟蹤場景渲染技術改進。

4 仿真實驗與結果分析

為了測試本文算法在實現Android系統中手機游戲視景仿真中的背景場景渲染中的性能，進行仿真實驗。仿真實驗建立在在Intel(R)Core(TM)2 Duo CPU E7400，主頻2.80GHz 2.79 GHZ，內存1.00 GB配置的PC機上。結合Matlab編程實現算法代碼設計。自然場景圖像采集中系統中使用的CCD攝像頭參數：感光元件：CMOS；動態分辨率：1280×960；在進行算法設計和編程中，本文的實驗環境是處理器VS2008為軟件平臺，將當前幀與背景幀相減，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系統中游戲視景場景環境虛擬現實視景仿真中，引入多線程技術，采用過本文設計方法三維視景渲染引擎構建和視景場景圖像的紋理特征提取。設定的最高分辨率為32×32，LOD可以分為5級。在Multigen Terrain模塊下，在多線程技術引導下，進行模塊化劃分，實現數據格式轉化，使用Vega Prime平臺中Vega Prime FX模塊定制和升級的粒子系統，得到本文開發的Android手機某款海戰游戲的視景仿真原始場景圖，如圖4所示。

采用本文方法，對游戲場景進行自適應跟蹤渲染，特別是對游戲中的爆炸場景進行渲染仿真，進行紋理特征提取，得到游戲的爆炸場景的紋理特征提取結果，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，采用本文方法進行紋理特征提取，能夠快速獲取場景中的圖像幀畫面，細節渲染效果較好，以此為基礎，采用網格法設計Android系統中游戲視景場景拓撲結構，結合靜態視點圖像的運動特征，采用自適應跟蹤實現場景渲染，得到結果如圖6所示。從仿真結果可見，采用本文方法可以觀察整個仿真過程，視點轉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 某海戰游戲的視景仿真原始場景圖

圖6 視景仿真場景的自適應跟蹤渲染結果

5 結束語

對游戲軟件的視景仿真成為當前Android系統手機中手機游戲軟件開發的難點，三維視景仿真和場景渲染是提高游戲視景真實性的關鍵技術，本文提出一種基于網格拓撲自適應跟蹤的Android系統中的圖像場景渲染算法。首先構建Android系統建模下的三維視景渲染引擎，對渲染圖形進行紋理特征提取預處理，采用網格法設計Android系統中游戲視景場景拓撲結構，結合靜態視點圖像的運動特征，采用自適應跟蹤實現場景渲染，最后通過實際開發的Android手機海戰游戲仿真實驗進行性能測試。研究結果表明，采用本文方法能有效實現對復雜游戲場景的視景仿真和渲染，視點轉換和視點控制流暢，場景繪制逼真，展示了較好的應用價值。

[1]于靜,劉燕兵,張宇,等.大規模圖數據匹配技術綜述[J].計算機研究與發展,2015,52(2):391-409.

[2]方智文,曹治國,朱磊.基于梯度角度的直方圖局部特征描述子的圖像匹配算法[J].計算機應用,2015,35(4): 1079-1083.

[3]藺素珍,朱小紅,王棟娟,等.基于嵌入式多尺度變換的多波段圖像融合[J].計算機研究與發展,2015,52(4):952-959.

[4]陳添丁,金煒煒,陳英旦,等.輪廓線優化的多通道三維水墨渲染模型[J].電子與信息學報,2015,37(2):494-498.

[5]羅澤峰,單廣超.基于網絡和虛擬多媒體技術的海戰平臺視景仿真實現[J].物聯網技術,2015,5(3):91-92,94.

[6]姚志均.一種新的空間直方圖相似性度量方法及其在目標跟蹤中的應用[J].電子與信息學報,2013,35(7):1644-1649.

[7]趙威.基于魚雷自導的艦船尾流回波模型建立方法[J].艦船電子工程.2013,33(4):81-83.

[8]涂超平,肖進勝,杜康華,易本順.基于各向異性熱擴散方程的多聚焦圖像融合算法[J].電子學報,2015,43(6): 1192-1199.

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

電子信息創新人才培養實驗區(粵教高函[2012]204號)；2014年度國家級大學生創新創業訓練計劃項目“基于android系統的手機游戲開發與實踐”(201413656001)