基于Android系统的自适应跟踪场景渲染技术

陆兴华，罗文俊，刘仁秋

（广东工业大学华立学院，广东 广州 511325）

基于Android系统的自适应跟踪场景渲染技术

陆兴华，罗文俊，刘仁秋

（广东工业大学华立学院，广东 广州 511325）

三维视景仿真和场景渲染是提高Android平台手机游戏视景真实性的关键技术。针对传统游戏视景的渲染算法实时性差，场景渲染的自适应跟踪性能不佳等问题，提出一种基于网格拓扑自适应跟踪的Android系统中的图像场景渲染技术。构建三维视景渲染引擎，对渲染图形进行纹理特征提取预处理，采用网格法设计游戏视景场景拓扑，结合静态视点图像的运动特征，采用自适应跟踪实现场景渲染。以开发的某海战游戏场景为对象进行视景仿真，结果表明，采用该技术实现海战游戏视景仿真中爆炸场景的渲染，能观察整个爆炸仿真过程，视点转换和视点控制流畅，场景绘制逼真，天空和海面效果搭建合理，展示了较好的应用价值。

Android系统游戏视景仿真渲染

1 引言

在Android平台上进行手机游戏开发成为计算机信息处理和图形图像处理的综合性研究问题，随着Android系统手机广泛普及和应用，相应的游戏软件开发和投入竞争激烈，对游戏的视景仿真和场景画面的真实性提出了更高的要求。目前，高速度大存储智能手机对游戏软件的运行开销和速度已经不是主要难题，但是对游戏软件的视景仿真成为当前Android系统中手机游戏软件开发的难点，各种手机应用系统对视景仿真中图像处理的运算速度和水平也提出了更高的要求，例如各种先进的三维图形处理，实时任务调度等，都需要一种高速高效的图像处理算法，提高Android系统中GPU图像处理的水平。而三维视景仿真和场景渲染是提高游戏视景真实性的关键技术，因此，研究Android系统中的视景仿真场景渲染算法，在进行手机游戏开发中具有重要的意义[1]。

目前，在Android系统中进行视景仿真的场景渲染主要需要通过应用(APP)、剔除(CULL)和绘制(DRAW)三个主要过程，计算游戏场景和模型在渲染画面中的位置和方向。采用基于GPU的实时图形渲染引擎，有效地满足了大型图形图像处理的多维运算需求，如今随着科技发展，GPU实时图像处理引擎技术的大存储功能为完善地创建图像数据库提供了技术基础[2-4]。但是当前的渲染算法还不能满足大景深背景下的视景仿真需求，传统的游戏视景的场景渲染采用场景状态信息的纹理特征提取方法，能够快速获取大型游戏场景中的图像帧画面，但算法实时性不好，对场景渲染的自适应跟踪性能不好[5]。针对传统方法出现的问题，本文提出一种基于网格拓扑自适应跟踪的Android系统中的图像场景渲染算法。首先构建Android系统建模下的三维视景渲染引擎，对渲染图形进行纹理特征提取预处理，采用网格法设计Android系统中游戏视景场景拓扑结构，结合静态视点图像的运动特征，采用自适应跟踪实现场景渲染，最后通过仿真实验进行了性能验证，展示了本文算法在提高Android平台上手机游戏视景仿真逼真性方面的优越性能。

2 Android系统建模下的三维视景渲染引擎及图像预处理

2.1 Android系统建模下的三维视景渲染引擎

为了实现对游戏视景仿真中的实时图像的GPU渲染，需要首先构建Android系统建模下的GPU实时图形渲染三维图形观察器和渲染引擎，进行实时图像采集和分析，使用OpenFlight的建模环境提供GPU实时图形渲染三维图形观察器，得到一个有二维层次的结构图。传统的三维建模软件，比如MAYA、3DStudio MAX、SoftImage进行图像建模时，通常以视觉效果作为第一建模目的，对图像的跟踪渲染的实时性考虑欠佳，结果渲染这样一帧画面可能需要几十分钟[6]，对此，本文采用静态视点图像自适应跟踪渲染技术。三维视景渲染引擎构建过程如图1所示。

图1 三维视景渲染引擎构建过程

根据图1所示的流程，在前期采集真实的背景场景状态参数数据，进行特效处理，在此之前，需要进行Android系统中游戏视景场景视景仿真的拓扑结构构建，本文进行高分辨率拓扑生成，图形渲染引擎调度属性关系表示为：

在上述分析的基础上，结合虚拟场景中的观察者视线运动方程：

通过对图像自然分层，它包含五个层次：OpenFlight数据库头层次)、集合层次(Group Level)对象层次、(Object Level)、表面层次(Face Level)和顶点层次(Vertex Level)保留原始图像的基本信息，根据显示列表中存储的场景状态信息和渲染指令，在Android系统中，把游戏场景的场景状态信息渲染至帧缓存，作为原始数据输入[7]。

2.2 纹理特征提取预处理

在上述进行Android系统建模下的三维视景渲染引擎构建的基础上，为了创建各种各样的三维模型，通过可视化仿真实现Android手机游戏软件的开发，需要进行图像纹理特征提取预处理，进行图像场景的自适应跟踪渲染。

式中，控制两个渲染场景融合时所占的比例。对色差的量度信息能合理反映

其中，dx表示视差函数关于x的平衡参数，dy表示平衡参数关于y的导数，表示立体匹配中平滑函数关于函数dx的导数。

3 场景拓扑结构及自适应跟踪场景渲染改进实现

3.1 基于网格法的游戏视景场景拓扑结构

采用网格法设计Android系统中游戏视景场景拓扑结构，Android系统中游戏视景场景拓扑结构如图2所示。拓扑结构中，主要是由单层正方形网络组成的，游戏视景场景拓扑结构分解的网格单元，物理子区域、网孔以及网孔节点和网孔[8]。

在Android系统中，为了实现对视景场景的跟踪渲染，需要进行环境的背景图形进行三角形分割，对每个4顶点组成的区域块需要进行三角形分割。游戏视景场景环境模拟的真实度很大程度上决定于网格的分辨率设置，本文在尽量高的分辨率状态下模拟Android系统中游戏视景场景表面状态，其中，不同分辨率的Android系统中游戏视景场景网格效果图如图3所示。

图3 不同分辨率效果图

根据图3，并计算出最大的偏移量，然后将地形多边形的中点移动到新的位置上，结合静态视点图像的运动特征：

图2 Android系统中游戏视景场景拓扑结构

上式表示像素级视差D的N个元素，那么C和D的共同信息可以表示为：

其中，像素级规范互相关函数为m(x,y)，它表示光线滤波的整数级视差；表示以x0点为视差传播的可靠的支撑窗口上的内积；表示以x0点为中心的平滑项导数的范数。对视景仿真区域进行场景扫描，场景扫描是一个具有时间序列、且不简单的过程。为了使场景渲染分布场能适应各种复杂场景，采用L1范数度量场景区域分布场的第k层，根据上述描述，构建了基于网格法的游戏视景场景拓扑结构，并进行了自适应跟踪场景渲染算法设计。

3.2 自适应跟踪场景渲染实现

在多线程Mesh网格中采样形成归一化网络直线，对环境模型构建实体的每个顶点Z轴方向进行流线型放大处理，利用分辨率最高LOD，形成多路径高分辨率实体环境对象模型，对对象模型进行多坐标系集合生成，通过模型层级递进，构成LOD高分辨率模型库。改进的Android手机游戏视景场景的跟踪渲染关键技术实现描述如下：

结合纹理映射技术，通过设置纹理类型得：

然后对背景光源（Light Source）以及光照模型(Lighting Model)设置通过创建光源，使视景背景的可见度能随着环境变化而改变，光源设置包括位置设置和光照范围设置，代码为：

根据上述设计，实现了基于Android系统的自适应跟踪场景渲染技术改进。

4 仿真实验与结果分析

为了测试本文算法在实现Android系统中手机游戏视景仿真中的背景场景渲染中的性能，进行仿真实验。仿真实验建立在在Intel(R)Core(TM)2 Duo CPU E7400，主频2.80GHz 2.79 GHZ，内存1.00 GB配置的PC机上。结合Matlab编程实现算法代码设计。自然场景图像采集中系统中使用的CCD摄像头参数：感光元件：CMOS；动态分辨率：1280×960；在进行算法设计和编程中，本文的实验环境是处理器VS2008为软件平台，将当前帧与背景帧相减，建立滑动平均背景模型，将前景点序列codebook_foreground，average_foreground进行分析判断：如果两个前景序列中都为前景的点，三维Android系统中游戏视景场景环境虚拟现实视景仿真中，引入多线程技术，采用过本文设计方法三维视景渲染引擎构建和视景场景图像的纹理特征提取。设定的最高分辨率为32×32，LOD可以分为5级。在Multigen Terrain模块下，在多线程技术引导下，进行模块化划分，实现数据格式转化，使用Vega Prime平台中Vega Prime FX模块定制和升级的粒子系统，得到本文开发的Android手机某款海战游戏的视景仿真原始场景图，如图4所示。

采用本文方法，对游戏场景进行自适应跟踪渲染，特别是对游戏中的爆炸场景进行渲染仿真，进行纹理特征提取，得到游戏的爆炸场景的纹理特征提取结果，如图5所示。

图5 游戏中爆炸场景纹理特征提取

从图5可见，采用本文方法进行纹理特征提取，能够快速获取场景中的图像帧画面，细节渲染效果较好，以此为基础，采用网格法设计Android系统中游戏视景场景拓扑结构，结合静态视点图像的运动特征，采用自适应跟踪实现场景渲染，得到结果如图6所示。从仿真结果可见，采用本文方法可以观察整个仿真过程，视点转换和视点控制也很流畅，场景绘制逼真，天空和海面效果搭建合理，展示了本文方法的有效性。

图4 某海战游戏的视景仿真原始场景图

图6 视景仿真场景的自适应跟踪渲染结果

5 结束语

对游戏软件的视景仿真成为当前Android系统手机中手机游戏软件开发的难点，三维视景仿真和场景渲染是提高游戏视景真实性的关键技术，本文提出一种基于网格拓扑自适应跟踪的Android系统中的图像场景渲染算法。首先构建Android系统建模下的三维视景渲染引擎，对渲染图形进行纹理特征提取预处理，采用网格法设计Android系统中游戏视景场景拓扑结构，结合静态视点图像的运动特征，采用自适应跟踪实现场景渲染，最后通过实际开发的Android手机海战游戏仿真实验进行性能测试。研究结果表明，采用本文方法能有效实现对复杂游戏场景的视景仿真和渲染，视点转换和视点控制流畅，场景绘制逼真，展示了较好的应用价值。

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[5]罗泽峰,单广超.基于网络和虚拟多媒体技术的海战平台视景仿真实现[J].物联网技术,2015,5(3):91-92,94.

[6]姚志均.一种新的空间直方图相似性度量方法及其在目标跟踪中的应用[J].电子与信息学报,2013,35(7):1644-1649.

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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

电子信息创新人才培养实验区(粤教高函[2012]204号)；2014年度国家级大学生创新创业训练计划项目“基于android系统的手机游戏开发与实践”(201413656001)