增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的三維場(chǎng)景模型優(yōu)化處理技術(shù)研究

劉曉 郭建龍 郝騰飛 馮偉夏

摘 ?要： 針對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的復(fù)雜三維場(chǎng)景實(shí)時(shí)渲染問題，提出一種結(jié)合GPU加速的連續(xù)多細(xì)節(jié)層次（Levels of Detail，LOD）模型優(yōu)化方法，以便提供更加流暢的用戶感官體驗(yàn)。該方法采用并行局部處理架構(gòu)，每個(gè)網(wǎng)格區(qū)域的生成均不依賴于已存在的其他網(wǎng)格，因此三維場(chǎng)景生成不使用任何層次結(jié)構(gòu)，十分適合基于GPU的LOD處理，并且具有高度可擴(kuò)展性。測(cè)試結(jié)果表明，相比其他模型優(yōu)化方法，所提優(yōu)化方法在流暢度方面表現(xiàn)出更好的性能，有效增加了場(chǎng)景模型的實(shí)時(shí)性。

關(guān)鍵詞： 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí); 三維場(chǎng)景; GPU; LOD; 實(shí)時(shí)渲染; FPS

中圖分類號(hào)： TN911.73?34; TP391.9 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）09?0180?03

Research on optimal processing technology of 3D scene model

in augmented reality application

LIU Xiao1， 2， GUO Jianlong2， HAO Tengfei2， FENG Weixia2， 3

（1. Hubei Institute of Fine Arts， Wuhan 430060， China;

2. Education Training Evaluation Center， Guangdong Power Grid Co.， Ltd.， Guangzhou 510520， China;

3. School of Automation， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510000， China）

Abstract： Aiming at the real?time rendering problem of complex 3D scenes in augmented reality application， a continuous levels of detail （LOD） optimization method combining graphics processing unit （GPU） acceleration is proposed to provide more smooth sense experience for users. The parallel local processing architecture is adopted in the method， and each mesh region is generated independently of other existing meshes. 3D scene generation does not use any hierarchical structure， is very suitable for GPU?based LOD processing， and has high scalability. The test results show that， in comparison with other model optimization methods， the proposed optimization method has higher performance in term of fluency， and can enhance the real?time performance of the scene model effectively.

Keywords： augmented reality; 3D scene; GPU; levels of detail; real?time rendering; frames per second

0 ?引 ?言

以先進(jìn)的感官交互為基礎(chǔ)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在飛行模擬、地面車輛模擬和大型游戲等高科技應(yīng)用中扮演著至關(guān)重要的角色。盡管近十年來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)取得了不少進(jìn)步，但如何在高圖像質(zhì)量和高處理時(shí)間之間進(jìn)行平衡仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)[1]。新一代圖形處理設(shè)備中的DirectX 11帶來(lái)了Tessellation（拆嵌式細(xì)分曲面） 技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)驚人的視覺逼真度和自動(dòng)連續(xù)多細(xì)節(jié)層次模型[2]，但該設(shè)備的使用具有許多限制，且在LOD技術(shù)上沒有創(chuàng)新。

一種簡(jiǎn)單的三維場(chǎng)景地形渲染方法是創(chuàng)建一個(gè)規(guī)則的多邊形網(wǎng)格，并根據(jù)高度圖移動(dòng)其頂點(diǎn)[3]。但是這樣的方法既不高效也不可擴(kuò)展[4]。目前，已經(jīng)提出了許多用于有效三維場(chǎng)景渲染的算法。文獻(xiàn)[5]提出一種基于LOD紋理映射的三維場(chǎng)景實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，同時(shí)應(yīng)用Open GL語(yǔ)言進(jìn)行算法驗(yàn)證，能夠優(yōu)化紋理內(nèi)存，提高三維場(chǎng)景實(shí)時(shí)渲染速度，避免內(nèi)存浪費(fèi)。文獻(xiàn)[6]提出一種基于過程式紋理重構(gòu)和混合層次細(xì)節(jié)模型的渲染方法，與原始模型和幾何LOD方法相比，該方法分別實(shí)現(xiàn)了約10倍和5倍的渲染加速，可以實(shí)時(shí)渲染城市級(jí)大場(chǎng)景。但是以上算法主要都是基于可見性裁減和分層結(jié)構(gòu)的LOD技術(shù)，沒有有效利用GPU的高速處理能力。

因此，本文提出一種結(jié)合GPU加速的LOD優(yōu)化方法，以便提供更加流暢的用戶感官體驗(yàn)。該方法采用并行局部處理架構(gòu)，每個(gè)網(wǎng)格區(qū)域的生成均不依賴于已存在的其他網(wǎng)格，因此三維場(chǎng)景生成不使用任何層次結(jié)構(gòu)，十分適合基于GPU的LOD處理，并且具有高度可擴(kuò)展性。測(cè)試結(jié)果表明，相比其他模型優(yōu)化方法，本文提出的優(yōu)化方法在流暢度方面表現(xiàn)出更好的性能，從而在保證增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景圖像質(zhì)量的前提下，加快圖像加載速度和渲染速度。