三維動畫圖像紋理實時渲染系統設計

孔素然+殷均平

摘 要： 當前存在一種特殊圖像紋理快速渲染技術方法，這種方法與傳統思想不同，融合了硬件圖像紋理的處理技術，實現了用較少的多邊形組成模型完成高質量的動畫圖像紋理渲染效果，在提高圖像紋理渲染速度的同時保證圖像紋理渲染的質量。但該方法存在過程較為復雜的問題。為此，提出一種三維動畫圖像紋理實時渲染系統設計方法，該方法首先對渲染系統進行硬件系統設計，硬件由圖像客戶端、圖像管理節點、存儲節點及計算節點組成。通過對渲染圖像模型紋理相應坐標點繪制像素達到對動畫圖像紋理渲染的目的，然后對三維動畫圖像紋理渲染利用雙線性算法進行計算。實驗結果證明，提出的對三維動畫圖像紋理實時渲染系統設計的方法能夠降低三維動畫圖像的成本。

關鍵詞： 三維動畫； 節點； 圖像紋理； 實時渲染； 雙線性算法； 系統設計

中圖分類號： TN911.73?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

隨著時代的發展，渲染成為影視動漫等三維圖像制作領域的關鍵技術，屬于計算數據應用技術[1]。對于復雜的動畫圖像和特效，著色渲染需要大量時間完成，成為動畫產業發展的瓶頸。為提高圖像紋理的渲染速度，將運行渲染軟件的計算機通過高速網絡構建起一個圖像紋理渲染系統，為各計算節點以同時存在的方式分配渲染任務[2]。因此，對三維動畫圖像紋理進行實時渲染系統設計具有重要意義[3]。

從目前影視動漫的發展情況來看，在硬件性能條件一定的情況下，優秀的三維動畫圖像紋理實時渲染系統能在一定程度上提高該系統的性能[4]。目前已提出多種三維動畫圖像紋理實時渲染系統[5]。文獻[6]盡可能加快三維動畫圖像紋理渲染速度，從而縮短三維動畫圖像紋理實時渲染的時間，以提高三維動畫圖像紋理實時渲染的分辨率。文獻[7]提出對紋理圖像進行Gauss濾波，并將反映紋理信息的高頻頻譜作為高度圖，分別應用胡克定律和摩擦力公式計算虛擬探針對紋理表面作用的法向力和摩擦力。文獻[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比，直接對操作者反饋圖像紋理，有效地對圖像邊緣和圖像紋理進行渲染。并且提出恢復三維形狀技術由單幅圖像紋理的信息恢復紋理的高度，進行圖像紋理的渲染。但該方法存在周期較長的問題。

文獻[9]提出一種針對圖像紋理渲染的不同圖像圖案設計概念與技術，并改進了匹配圖像紋理合成方法，用三維相關函數對圖像紋理的構成和分布進行分析，確定合成圖像的大小，將不同圖案作為圖像紋理結構約束，利用圖像顏色空間控制圖像色彩的渲染，實現圖像紋理結構約束的紋理合成，通過選擇兩個不同圖像進行紋理實驗，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。

針對上述問題，本文提出一種三維動畫圖像紋理實時渲染系統設計，實驗結果證明，三維動畫圖像紋理實時渲染系統設計在提升圖像渲染的基礎上，降低了三維動畫圖像紋理實時渲染系統設計的成本。

1 三維動畫圖像紋理實時渲染系統設計endprint

1.1 渲染系統整體硬件的構建

三維動畫圖像紋理實時渲染系統的硬件由圖像客戶端、圖像管理節點、存儲節點及計算節點組成。三維動畫圖像紋理實時渲染系統工作流程如圖1所示，客戶端將由三維制作軟件完成的圖像紋理創作上傳到存儲節點，利用管理節點接口將三維動畫圖像紋理渲染任務交給圖像管理的軟件；管理節點對三維動畫圖像紋理渲染的管理軟件進行圖像紋理渲染作業的調度與管理、任務分發以及對三維動畫圖像紋理渲染狀態進行實時監控；計算節點為執行三維動畫圖像紋理渲染的核心，從管理節點讀取任務，并對三維動畫圖像紋理進行渲染；存儲節點負責圖像紋理渲染系統的數據共享以及三維動畫圖像存儲管理。

動畫控制功能能夠對圖像模型的變形進行計算并對動畫圖像進行管理。翻譯外部圖像的相關參數，使用圖像變形技術對圖像情景模塊頂點進行修改。此外，動畫控制模塊要對動畫播放過程進行維護與管理，對圖像的定點時滯與圖像定時修改進行操作，并使用圖像紋理參數，將圖像數據信息傳遞到渲染模塊，使動畫效果更加明顯的表現出來。

渲染模塊對圖像紋理資源進行管理，并利用圖像處理與動畫控制模塊輸出數據，呈現出視覺的效果。渲染模塊在圖形接口的協助下對圖像數據進行渲染，并通過頂點緩存圖像與頂點數據圖像對傳統渲染系統進行替代，從而使動畫圖像紋理渲染效率得到有效的提升。對動畫圖像著色器進行編程，在動畫過程中，如果動畫控制模塊無法提交有效的圖像紋理渲染，還要對渲染效果進行處理，從而使動畫圖像紋理實時渲染效果更加明顯。

1） 渲染的軟件。由授權發布的跨平臺三維渲染和動畫制作軟件，提供一種強大并足夠勝任圖像紋理渲染的方案，搭建虛擬圖渲染。

2） 三維動畫圖像紋理操作系統是一款發行版的操作系統，具有低成本、周期短等優點。尤其是支持渲染硬件系統，擁有超過43 000多個編譯好的軟件。

3） 該渲染系統選用不同配置設備作為渲染計算節點。由開源開發板、客戶端、處理器、安裝系統以及平板電腦和智能手機組成。渲染系統服務器端與客戶端運行在同一PC上。

渲染系統硬件架構如圖2所示，服務器相當于圖1中的管理節點，從客戶端接受初始任務，并分配任務給渲染節點，客戶端制作三維動畫圖像提交任務給管理節點，待三維動畫圖像紋理渲染結束后收回圖像序列結果，負載端為三維動畫圖像紋理渲染的計算節點，執行實際操作中的三維動畫圖像紋理渲染工作。由于網絡節點少，因此需要對服務器渲染狀態進行監視，而服務器和計算節點只需進行任務調度與渲染。所以，三維動畫圖像紋理渲染的操作系統以節省渲染系統硬件的內存為主。計算機智能設備沒有網口，所以三維環境下采用無線路由器TP?Link組建局域網。

1.2 圖像紋理渲染方法的軟件設計

要想對三維動畫圖像紋理進行渲染，首先要得到動畫圖像紋理在三維坐標系中的坐標，最常用的方式就是通過鼠標點擊獲取。同時，通過對渲染圖像模型紋理相應坐標點繪制像素達到三維動畫圖像紋理渲染的目的。三維動畫圖像紋理的渲染離不開兩個重要數據：圖像紋理的位置坐標與該坐標相應顏色的數據。

假設待渲染的動畫圖像紋理處于三維環境的任意點，同時將動畫圖像紋理管道與虛擬的畫布進行銜接。通過動畫圖像紋理映射技術將圖像數據映射為：

式中：表示圖像數據映射；為圖像數據，表示圖像色彩，表示圖像分辨率；為圖像數據包。對三維動畫圖像紋理數據或圖像數據包進行分析，得出對應三維動畫圖像紋理的信息，將其存入虛擬畫布中，等待渲染。

設表示圖像數據像素位置：

式中：Height為圖像輸入數據的圖像高度；Width為圖像輸入數據的圖像寬度。依據上述表達式能將輸入的Height*Width大小圖像紋理轉化到渲染紋理中。三維動畫圖像紋理渲染用雙線性算法進行計算。

將式（8）代入式（9）中，得出圖像輸入點像素間的插值。利用求出的值對三維動畫圖像紋理進行實時渲染系統設計。

2 實驗結果與分析

實驗平臺應用的計算機設備是型號為Dell Precision5510 Intel Core i5?6300HQ（2.3 GHz/L3 6 MB）的處理器，8 GB DDR4內存，Windows 10操作系統以及 NVIDIA Quadro M1000M顯卡芯片，硬盤類型為SATA。

實驗程序使用C語言進行編寫。以框架編程為接口，在當前三維環境下進行動畫圖像紋理渲染設計，使用調試圖像系統性監測工具和分析工具對圖像進行跟蹤程序流程，對三維動畫圖像紋理進行實時采樣。

通過上述方法得到三維動畫圖像紋理表示的處理圖像，進行動畫圖像紋理渲染后輸出到虛擬三維環境中，圖3a）為三維動畫圖像紋理采樣圖片，圖3b）是使用濾鏡對三維動畫圖像紋理進行渲染的圖像。

通過硬件服務器測試三維動畫圖像紋理渲染流程、動畫圖像紋理和顯示緩沖區的參數。圖4是圖像紋理延遲時間和圖像采樣的濾鏡在緩沖區像素的計算結果。在進行三維動畫圖像紋理渲染時出現最高峰值，在峰值最高時將動畫圖像紋理采樣輸入到處理內核中，添加線性保護圖像后，三維動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行實時渲染，本文使用工具解析圖像緩沖參數。表1是圖像紋理參數緩沖輸入完畢的相關數據。由于在圖像紋理繪制過程中，圖像數據通過處理后輸出緩沖，因此，硬件服務器檢測到動畫圖像紋理等待的時間為0。表2表示常規處理流程中動畫圖像紋理操作系統為避免線性沖突對紋理對象增加的等待時間。由于繪圖不依賴渲染紋理對象，不存在線性調度的問題，因此，檢測到的動畫圖像紋理等待時間為0。實驗數據說明，本文設計的三維動畫圖像紋理實時渲染系統能夠降低三維動畫圖像的成本。

為進一步證明所提設計方法的有效性，對不同尺度大小的三維動畫圖像進行實時渲染，渲染效果如表3所示。endprint

在保持三維動畫圖像紋理渲染速度相同的情況下，無論三維動畫圖像的大小有何變化，三維動畫圖像紋理實時渲染的效果都不會改變。

3 結 語

本文提出三維動畫圖像紋理實時渲染系統設計，通過對渲染圖像模型紋理相應坐標點繪制像素達到動畫圖像紋理渲染的目的，然后對三維動畫圖像紋理渲染利用雙線性算法進行計算，實現了將動畫圖像融合于三維環境中，解決了影響三維動畫圖像制作周期長和成本高的問題。三維動畫圖像紋理實時渲染系統設計將在影視動漫發展中具有良好的應用前景。

參考文獻

[1] 段輝麗，唐麗玉.利用OSG三維圖形渲染引擎實現的骨骼動畫[J].計算機工程與應用，2015，51（3）：40?44.

DUAN Huili， TANG Liyu. Using OSG graphic rendering engine to achieve skeletal animation [J]. Computer engineering and applications， 2015， 51（3）： 40?44.

[2] 高丁莉.統籌城鄉視角下農村現代化商貿流通市場評價系統構建[J].商業經濟研究，2016，34（2）：142?143.

GAO Dingli. The construction of the evaluation system of the rural modernization and trade circulation market from the perspective of urban and rural [J]. Journal of commercial economics， 2016， 34（2）： 142?143.

[3] 胡建偉，曹娟.基于參考圖像的彩墨畫快速渲染法[J].計算機應用研究，2016，33（2）：632?635.

HU Jianwei， CAO Juan. Image?based ink and color painting quick rendering method [J]. Application research of computers， 2016， 33（2）： 632?635.

[4] 律睿慜，陳偉，孟磊，等.周期性動態圖像的傅里葉表達、渲染及應用[J].計算機應用，2015，35（8）：2280?2284.

L? Ruimin， CHEN Wei， MENG Lei， et al. Fourier representation， rendering techniques and applications of periodic dynamic images [J]. Journal of computer applications， 2015， 35（8）： 2280?2284.

[5] 劉鎮，劉曉，梅向東.面向移動終端的分布并行化渲染[J].中國圖象圖形學報，2015，20（9）：1247?1252.

LIU Zhen， LIU Xiao， MEI Xiangdong. Distributed parallel rendering method for mobile terminals [J]. Journal of image and graphics， 2015， 20（9）： 1247?1252.

[6] 律睿慜，徐曼頔，劉淵，等.融合模糊色彩思維建模的馬賽克風格渲染技術[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2016，28（10）：1688?1698.

L? Ruimin， XU Mandi， LIU Yuan， et al. Artistic mosaic rendering using fuzzy color modeling [J]. Journal of computer?aided design & computer graphics， 2016， 28（10）： 1688?1698.

[7] 孔素然，殷均平.人體特殊動作三維動畫建模與渲染方法改進研究[J].微電子學與計算機，2016，33（9）：169?172.

KONG Suran， YIN Junping. The special action study of three dimensional animation modeling and rendering method improvement [J]. Microelectronics & computer， 2016， 33（9）： 169?172.

[8] 嚴雷，楊曉剛，郭鴻飛，等.結合圖像識別的移動增強現實系統設計與應用[J].中國圖象圖形學報，2016，21（2）：184?191.

YAN Lei， YANG Xiaogang， GUO Hongfei， et al. Mobile augmented reality system design and application based on image recognition [J]. Journal of image and graphics， 2016， 21（2）： 184?191.

[9] 王光磊，裴晨輝，苑昊，等.基于KNN的DSA圖像去噪及GPU的快速實現[J].電視技術，2016，40（6）：10?16.

WANG Guanglei， PEI Chenhui， YUAN Hao， et al. DSA image denoising based on KNN and rapid implementation of GPU [J]. Video engineering， 2016， 40（6）： 10?16.endprint