CN102508644B - 一种3d用户界面图形引擎系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电子产品3D界面设计开发领域，提供了一种3D用户界面图形引擎架构，包括：组织与管理3D场景中各图片之间、3D功能模块之间及3D场景中各图片与3D功能模块之间的关系的3D场景管理模块；创建与3D场景有关的场景节点，并实现3D画面的显示，且注册到该3D场景管理模块中的场景节点模块；根据该3D场景管理模块中与场景有关的数据，实现对场景的三维渲染的渲染模块；实现3D用户界面所需的图片、模型文件的加载及XML配置文件读写的资源管理模块。本发明能够适应不同的硬件平台，提高了3D？UI开发代码的重用性，可维护性，可扩展性，提高了开发效率，降低了软件开发成本。

Description

一种3D用户界面图形引擎系统

技术领域

本发明属于电子产品3D界面设计开发领域，尤其涉及一种3D用户界面图形引擎系统。

背景技术

UI(User Interface，用户界面)，是指用户和某些系统进行交互方法的集合，这些系统不单单指电脑程序，还包括某种特定的机器、设备等，3D技术是模拟现实生活中的物理或自然环境，3D化的用户界面让我们在使用操作设备上更加的接近现实。

3D UI图形引擎作为3D UI开发的核心，是实现跨平台的有力保障，是3DUI开发可维护性、可扩展性的必备条件，然而，现有的3D用户界面图形引擎系统存在不能够快速适应硬件平台，开发周期长，3D UI开发代码的重用性较低，导致开发成本较高的问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种3D用户界面图形引擎系统，旨在解决现有的3D用户界面图形引擎系统存在不能够适应不同的硬件平台，开发效率低的技术问题。

本发明实施例提供一种3D用户界面图形引擎系统，所述架构包括图形相关单元以及非图形相关单元，其中，

所述图形相关单元包括3D场景管理模块、场景节点模块以及渲染模块，

所述3D场景管理模块，用于组织与管理3D场景中各图片之间、3D功能模块之间以及3D场景中各图片与3D功能模块之间的关系；

所述场景节点模块，用于创建与3D场景有关的场景节点，并实现3D画面的显示，且注册到所述3D场景管理模块中；以及

所述渲染模块，用于根据所述3D场景管理模块中与场景有关的数据，实现对场景的三维渲染，且所述渲染模块包括应用程序编程接口相关子模块和应用程序编程接口无关子模块，所述应用程序编程接口相关子模块包括DirectX、OpenGL以及OpenGL ES，所述应用程序编程接口无关子模块具有所述DirectX、OpenGL以及OpenGL ES的共同特性；

所述非图形相关单元包括资源管理模块，

所述资源管理模块，用于实现3D用户界面所需的图片、模型文件的加载以及XML配置文件的读写。

本发明实施例通过提供一种3D UI图形引擎架构，该架构包括图形相关单元，其中，图形相关单元包括3D场景管理模块、场景节点模块以及渲染模块，渲染模块包括应用程序编程接口相关子模块和应用程序编程接口无关子模块，且该应用程序编程接口相关子模块包括DirectX、OpenGL以及OpenGL ES，该应用程序编程接口无关子模块具有所述DirectX、OpenGL以及OpenGL ES的共同特性，当图形引擎架构应用在Linux系统时，应用程序编程接口无关子模块调用OpenGL实现底层的渲染；当图形引擎架构应用在windows平台时，应用程序编程接口无关子模块调用OpenGL或者Direct 3D渲染；当图形引擎架构应用在嵌入式系统时，应用程序编程接口无关子模块调用OpenGL ES实现渲染，从而该3D UI图形引擎架构能够实现适应不同的硬件平台，提高了3D UI产品的开发效率，同时降低了开发成本。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的3D用户界面图形引擎系统示意图；

图2是本发明第二实施例提供的3D用户界面图形引擎系统示意图；

图3是本发明实施例二提供的3D用户界面图形引擎系统的工作原理示意图；

图4是本发明实施例二提供的使用3D用户界面图形引擎系统的应用场景图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

实施例一：

图1示出了本发明第一实施例提供的3D用户界面图形引擎系统示意图，为了便于说明，图1仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本发明实施例提供的3D用户界面图形引擎系统可以用于使用3D技术开发的产品，例如大屏幕消费电子产品3D人机交互界面中，该3D用户界面图形引擎系统主要包括：图形相关单元11以及非图形相关单元12。

其中，图形相关单元11用于向3D用户界面提供图形处理支持，该图形相关单元11包括3D场景管理模块111、场景节点模块112以及渲染模块113。

3D场景管理模块111用于组织与管理3D场景中各图片之间、3D功能模块之间以及3D场景中各图片与3D功能模块之间的关系。具体地，由于3D UI图形引擎架构通常用来管理一些庞大的3D世界，在这个3D世界中物体与物体之间通常存在一些相关、从属或者影响与被影响关系，因而如何组织这些关系，并确切的将这些关系与3D UI图形引擎架构的其它功能联系起来，就是3D场景管理模块111需要完成的工作。例如，组织与管理3D场景中各图片之间的关系，或者该3D场景中各图片与该3D功能模块之间的关系等。

场景节点模块112用于创建与3D场景有关的场景节点，并实现3D画面的显示，且注册到3D场景管理模块111中。例如，一幅3D UI有两个画面，一个为天气预报显示画面，一个为影视显示画面，则一个场景节点用于实现天气预报画面的显示，一个场景节点用于实现影视画面的显示，且注册到3D场景管理模块111中并被其管理。

渲染模块113用于根据该3D场景管理模块111中与3D场景有关的数据，实现对场景的三维渲染，且该渲染模块113包括应用程序编程接口无关子模块1131和应用程序编程接口相关子模块1132，该应用程序编程接口相关子模块1132包括DirectX、OpenGL以及OpenGL ES，该应用程序编程接口无关子模块1131具有该DirectX、OpenGL以及OpenGL ES的共同特性。其中，该与3D场景有关的数据是指与该3D场景有关的图片、3D模型文件数据以及该场景节点模块112中各节点在3D场景中的注册信息等数据。

非图形相关单元12，用于提供给用户不依赖于操作系统的库的程序设计支持，比如，通过C、C++等程序语言实现3D用户界面所需的各种图片、模型文件的加载以及XML配置文件的读写。具体地，由于3D UI需要加载各种文件，例如，各种格式的图片，不同格式的3D模型等，则该资源管理模块封装了不同格式文件、3D模型的加载以及读写XML配置文件的功能。

在本实施例中，该非图形相关单元12包括资源管理模块121。资源管理模块121用于实现3D用户界面所需的各种图片、模型文件的加载以及XML配置文件的读写。

本发明实施例通过提供一种3D UI图形引擎架构中，渲染模块113包括应用应用程序编程接口无关子模块1131，且该应用程序编程接口无关子模块1131具有DirectX、OpenGL以及OpenGL ES的共同特性，当图形引擎架构应用在Linux系统时，应用程序编程接口无关子模块1131调用OpenGL实现底层的渲染；当图形引擎架构应用在windows平台时，应用程序编程接口无关子模块1131调用OpenGL或者Direct 3D渲染；当图形引擎架构应用在嵌入式系统时，应用程序编程接口无关子模块1131调用OpenGL ES实现渲染，从而该3D UI图形引擎架构能够实现适应不同的硬件平台，提高了3D UI产品的开发效率，同时降低了开发成本。

此外，在本发明实施例提供的3D用户界面图形引擎系统中，该非图形相关单元12提供给用户不依赖于操作系统的库的程序设计支持，本发明实施例还通过将上述各个模块进行封装，也即将复杂的3D操作封装成易用的技术模块，进一步缩短了3D UI开发周期，提高3D UI开发代码的重用性，提高软件的开发速度，降低软件的开发成本。

进一步的，在本发明实施例提供的3D用户界面图形引擎系统中，该图形相关单元11中的3D场景管理模块111也可以将与该3D场景有关的图片、3D模型文件数据以及该场景节点模块112中各节点在3D场景中的注册信息传递给渲染模块113以实现3D渲染。注册信息例如可以为场景节点模块112上包含顶点的数据及纹理的数据等。

实施例二：

图2示出了本发明第二实施例提供的3D用户界面图形引擎系统示意图，为了便于说明，图2仅示出了与本发明实施例相关的部分。

该3D用户界面图形引擎系统主要包括图形相关单元11以及非图形相关单元12，其中：

图形相关单元11用于向3D用户界面提供图形处理支持，且除包括3D场景管理模块111、场景节点模块112以及渲染模块113之外，还包括场景效果模块114以及2D图形用户显示模块115，该3D场景管理模块111、场景节点模块112以及渲染模块113的相关说明已在上述实施例一中进行详细介绍，在此不再赘述。

其中，场景效果模块114用于实现3D场景中的粒子效果，例如，实现类似雨、雪、烟花等场景效果。场景节点模块112还可以将用户输入的与该3D场景有关的粒子图片、粒子模型文件数据传递给该场景效果模块114，并将该数据注册至该3D场景管理模块111中。具体地，该场景节点注册到3D场景管理模块111中的注册信息包括与该3D场景有关的图片、3D模型文件数据以及各节点在3D场景中的位置信息，并被该3D场景管理模块111管理。

2D图形用户显示模块115是用于提供2D图形的绘制并显示。

在本发明实施例中，在3D场景需要进行粒子效果显示时，可以利用场景效果模块114来实现，以进一步提高3D场景的现实效果，而当该3D场景中包含2D图形时，可以利用2D图形用户显示模块115将有关2D模型文件、图片等数据信息传递给渲染模块113，以进一步实现3D场景的完整显示。

进一步的，本实施例提供的3D用户界面图形引擎系统中的非图形相关单元12除包括资源管理模块121之外，还包括动画模块123、碰撞检测模块124、内存管理模块122、调试模块125以及常用函数模块126，该资源管理模块121的相关说明已在上述实施例一中进行详细介绍，在此不再赘述。

其中，动画模块123用于实现3D用户界面中的动画操作，例如，飞行、旋转、平移等动画。

碰撞检测模块124用于在人机交互时，实现在3D用户界面中的鼠标拾取，并且提供所有功能模块碰撞的检测以及拟物化的效果，例如刚体之间的碰撞、各个功能模块的拟物化的实现效果等。

内存管理模块122用于配置系统中的内存资源。具体地，由于内存在PC机中是非常稀缺的资源，然而系统硬件平台受到系统的体积、功耗等条件的限制，尤其在嵌入式等系统中内存变得更加宝贵，需要由内存管理模块122进行的资源配置。

调试模块125用于实时显示3D用户界面系统的运行状况，并输出相关错误信息。该调试模块125能够输出系统的一些报错信息，并且由于3D UI对实时性要求比较高，因此需要实时的显示系统的运行状况，对3D UI的开发提供理论依据，例如，该调试模块125可以输出每秒渲染的帧数，以及每帧渲染的三角形数目。

常用函数模块126用于提供给3D用户界面中涉及到的通用数据结构和功能函数，如，数学矩阵的计算，链表、队列等常用数据结构。

在本发明实施例提供的3D UI图形引擎架构中，动画模块123实现了3D用户界面中的动画操作效果，碰撞检测模块124实现了在3D用户界面中的鼠标拾取，并提供所有功能模块碰撞的检测以及拟物化的效果，内存管理模块122配置系统中的内存资源，调试模块125能够实时显示3D用户界面系统的运行状况，并输出相关错误信息，常用函数模块126能够提供给3D用户界面中涉及到的通用数据结构和功能函数，从而可以为3D场景的显示提供技术支持，提高了3D UI开发代码的可维护性等，本实施例新增的功能模块进一步增强了3D UI图形引擎架构的功能。

为更详细的理解本发明实施例，下面给出本发明实施例提供的3D UI图形引擎架构的工作原理，如图3所示。

图3为本发明实施例二提供的3D UI图形引擎架构的工作原理示意图。

其中，内存管理模块122根据资源管理模块121的需要将所需内存传递给资源管理模块121；

资源管理模块121将模型文件或者图片资源文件加载，并将加载的数据传递给2D图形用户显示模块115、场景节点模块112或者场景效果模块114。其中，资源管理模块121将加载的数据传递给场景节点模块112，可以理解为该场景节点模块112的场景节点与对应的图片和/或模型数据绑定在一起，可以更加完整的描述场景中的对象和渲染，且该场景节点中记录了对应的图片和/或模型的方位信息；

2D图形用户显示模块115将场景中的2D图片位置、图片内容等数据信息传递给渲染模块113；

场景节点模块112如需动画效果，则利用动画模块123将一些动画参数，例如，旋转矩阵、平移矩阵等参数传递给场景节点模块112，如果不需要动画效果，则不用传递；

场景节点模块112与场景效果模块114中的所有数据传递至3D场景管理模块111并注册，以及传递至碰撞检测模块124中，其中，3D场景管理模块111记录了场景节点模块中所有场景节点在场景中的位置信息；

在进行3D渲染时，3D场景管理模块111将场景节点模块112及场景效果模块114中所包含的数据，如模型中顶点数据、图片在场景中的位置、纹理数据等传递给渲染模块113，最后由渲染模块113将所有场景数据进行三维渲染，最终实现3D效果输出。在人机交互时，利用碰撞检测模块124检测各个模块的碰撞情况，例如，可以使用鼠标点击场景中的各个3D功能模块，检测3D场景的拟物效果。

在本发明实施例中，3D用户界面图形引擎系统中还包括调试模块，该调试模块主要用于实时显示系统的运行状况，当出现错误时，输出报错信息，以方便为3D UI的开发提供理论依据。例如，调试模块可以输出每秒渲染的帧数及每帧渲染的三角形数目。

本发明实施例通过3D UI用户界面图形引擎架构中各模块之间的交互作用，实现了对场景的3D处理与显示，且由于各个模块的功能可以由程序语言代码实现，因而可以将所有代码按照功能划分为模块并进行封装，使得即使没有计算机图形学、Open GL或者Direct 3D开发经验的人员也能够比较容易使用该架构，也使得3D UI软件开发速度加快，软件开发成本降低，缩短了3D UI开发周期，提高了应用3D技术开发的产品的开发效率。

为进一步理解本发明实施例，下面给出本发明实施例提供的3D用户界面图形引擎系统的具体应用场景。

如图所示，图4示出了本发明实施例二提供的3D用户界面图形引擎系统的应用场景图，详述如下：

在本发明实施例中，通过建立一个包含人早上锻炼身体，太阳东升西落以及一个二维图片的3D场景来说明使用该3D UI图形引擎架构开发3D场景的实例，该场景如图4所示，具体实现步骤如下：

根据用户的3D场景创建请求，利用场景节点模块112创建太阳场景节点，并将资源管理模块121加载的图片资源传递给该太阳场景节点，由于需要模拟太阳东升西落以及人物锻炼身体，所以利用动画模块123创建太阳东升西落以及人物锻炼身体的运动动画，并将其附着到太阳场景节点中，然后将太阳场景节点注册到3D场景管理模块111；

利用场景节点模块112创建人物节点，并将资源管理模块121加载的3D模型资源传递给人物节点，并将人物节点注册至3D场景管理模块111；

利用场景节点模块112创建摄像机场景节点，其中包括摄像机场景节点的位置，焦距信息，对准人物场景节点所在的位置，然后将摄像机场景节点注册到3D场景管理模块111中；

通过3D场景管理模块111将场景节点模块112中所包含的数据传递给渲染模块113；

由于该3D场景中的二维图片为2D效果图片，所以需要利用2D图形用户显示模块115创建该图片，并将资源管理模块121加载的2D图片传递给2D图形用户显示模块115，2D图形用户显示模块115将该图片位置、图片内容信息传递给渲染模块113；

在渲染场景效果时，通过渲染模块113来实现三维场景渲染，输出最终的3D场景。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种3D用户界面图形引擎系统，其特征在于，

包括图形相关单元以及非图形相关单元，其中，

所述图形相关单元包括3D场景管理模块、场景节点模块以及渲染模块，

所述3D场景管理模块，用于组织与管理3D场景中各图片之间、3D功能模块之间以及3D场景中各图片与3D功能模块之间的关系；

所述场景节点模块，用于创建与3D场景有关的场景节点，并实现3D画面的显示，且注册到所述3D场景管理模块中；以及

所述渲染模块，用于根据所述3D场景管理模块中与场景有关的数据，实现对场景的三维渲染，所述与场景有关的数据包括3D场景有关的图片、3D模型文件数据以及与所述场景节点模块中各节点在3D场景中的注册信息；且所述渲染模块包括应用程序编程接口相关子模块和应用程序编程接口无关子模块，所述应用程序编程接口相关子模块包括DirectX、OpenGL以及OpenGL ES，所述应用程序编程接口无关子模块具有所述DirectX、OpenGL以及OpenGL ES的共同特性；

所述非图形相关单元，用于提供给用户不依赖于操作系统的库的程序设计支持；

所述非图形相关单元包括资源管理模块，所述资源管理模块，用于实现3D用户界面所需的图片、模型文件的加载以及XML配置文件的读写；

所述图形相关单元还包括：

场景效果模块，用于实现3D场景中的粒子效果；以及

2D图形用户显示模块，用于提供2D图形的绘制并显示；

所述场景节点模块还用于将用户输入的与所述3D场景有关的粒子图片、粒子模型文件数据传递给所述场景效果模块，并将所述数据注册至所述3D场景管理模块中。

2.如权利要求1所述的图形引擎系统，其特征在于，

所述非图形相关单元还包括：

动画模块，用于实现3D用户界面中的动画操作；以及

碰撞检测模块，用于在人机交互时，实现在3D用户界面中的鼠标拾取，并且提供所有功能模块碰撞的检测以及拟物化的效果。

3.如权利要求1所述的图形引擎系统，其特征在于，

所述非图形相关单元还包括：

内存管理模块，用于配置系统中的内存资源；

调试模块，用于实时显示3D用户界面系统的运行状况，并输出相关错误信息；以及

常用函数模块，提供3D用户界面中涉及到的通用数据结构和功能函数。

4.如权利要求1所述的图形引擎系统，其特征在于，

所述3D场景节点包括所述3D场景中所有3D图片的节点以及摄像机节点。

5.如权利要求4所述的图形引擎系统，其特征在于，

所述摄像机节点包括所述摄像机节点的位置以及焦距信息。

6.如权利要求1所述的图形引擎系统，其特征在于，

所述3D场景管理模块还用于将与所述3D场景有关的图片、3D模型文件数据以及所述场景节点模块中各节点在3D场景中的注册信息传递给渲染模块以实现3D渲染。