CN102999946A - 一种3d图形数据处理方法、装置及设备 - Google Patents

Abstract

本发明适用于3D图形处理领域，提供了一种3D图形数据处理方法、装置及设备，该方法包括：根据预置的基本图形的数据结构，对基本图形进行归类，并为不同类别的基本图形分配单独的数据存储块；根据预置的基本图形集合贴图与数据结构，计算所述基本图形的顶点数据，将顶点数据写入到所述基本图形对应的数据存储块；将所述数据存储块中的数据绘制并输出。本发明实施例将多个基本图形统一写入到一个存储区进行绘制，并根据数据结构对基本图形进行分类并计算顶点数据进行存储，可方便对数据的存储管理，提高3D图形的绘制效率。

Description

一种3D图形数据处理方法、装置及设备

技术领域

本发明属于图形处理领域，尤其涉及一种3D图形数据处理方法、装置及设备。 

背景技术

在图形图像或者视频图像的处理时，使用3D图形处理技术，可以使视频图像输出设备的画面更加逼真，显示效果更佳。 

在3D图形的绘制中，需要使用的数据量非常大，如为了实现绚丽的3D效果，需要绘制大量粒子，或者需要在3D系统中绘制大量的中英文文字，以及在工业应用中大规模的工业图元的绘制，都涉及到大量顶点的描画以及大量图片的渲染。对这些巨大的数据量进行处理时，需要耗费较多的系统资源，其一般在高端配置的计算机设备中才能实现这些优秀的显示效果。 

对于目前消费者所使用较多的电视、手机等嵌入式设备，硬件与高配置的计算机比较，其数据处理能力相对要弱。因此，如何提高3D图形绘制效率，以在电视、手机上实现更好的3D显示性能，显得尤为重要。 

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种3D图形数据处理方法，旨在解决现有技术中3D图形的绘制效率低的问题。 

本发明实施例是这样实现的，一种3D图形数据处理方法，所述方法包括下述步骤： 

根据预置的基本图形的数据结构，对基本图形进行归类，并为不同类别的基本图形分配单独的数据存储块； 

根据预置的基本图形集合贴图，计算所述基本图形的顶点数据，将顶点数据写入到所述基本图形对应的数据存储块； 

将所述数据存储块中的数据绘制并输出。 

本发明实施例的另一目的在于提供一种3D图形数据处理装置，所述装置包括： 

归类模块：用于根据预置的基本图形的数据结构，对基本图形进行归类，并为不同类别的基本图形分配单独的数据存储块； 

计算模块：用于根据预置的基本图形集合贴图，计算所述基本图形的顶点数据，将顶点数据写入到所述基本图形对应的数据存储块； 

绘制输出模块：用于将所述数据存储块中的数据绘制并输出。 

本发明实施例的另一目的在于提供一种图形处理设备，该设备包括上述3D图形处理装置。 

在本发明实施例中，根据预置的基本图形的数据结构进行归类，并为不同类别分配单独的数据存储块，并将基本图形的顶点数据写入数据存储块，这样就可以实现将多个基本图形统一写入到一个存储区进行绘制，多个基本图形数据只通过一次绘制操作即可完成处理后输出至屏幕。和现有技术相比，本发明将多个基本图形按照数据结构进行分类，并进行统一绘制，可大大提高3D图形的绘制效率。 

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的3D图形数据处理的实现流程图； 

图2a、2b是本发明第一实施例提供的顶点数据变换示意图； 

图3是本发明第二实施例提供的3D图形数据处理的实现流程图； 

图4是本发明第三实施例提供的3D图形数据处理的实现流程图； 

图5为本发明第三实施例提供的制作的图形贴图集合示意图； 

图6是本发明第四实施例提供的3D图形数据处理的实现流程图； 

图7是本发明第五实施例提供的3D图形数据处理的实现流程图； 

图8是本发明第六实施例提供的3D图形数据处理装置的结构框图。 

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。 

实施例一 

图1示出了本发明3D图形数据处理实现流程，详述如下： 

在步骤S101中，根据预置的基本图形的数据结构，对基本图形进行归类，并为不同类别的基本图形分配单独的数据存储块。 

具体的，根据行署的基本图形的数据结构的类别，可以对基本图形进行不同的分类，这样可以对不同类别的基本图形进行统一管理，如具体的一种归类方式可以根据基本图形的绘制方式进行分类，如点绘制、线绘制、三角绘制、四点绘制等。 

在步骤S102中，根据预置的基本图形集合贴图与数据结构，计算所述基本图形的顶点数据，将顶点数据写入到所述基本图形对应的数据存储块。 

具体的，对于分类好的基本图形，存储于数据存储块中，根据数据结构中的顶点坐标及其位移、旋转、绽放等数据结构特征，将位于同一集合贴图中的基本图形的顶点数据进行计算，对于顶点数据的计算，现对顶点数据中的顶点位置计算举例说明如下： 

某个图形变换前顶点数据是p1(-1，-1，0)  p2(-1，1，0)  p3(1，1，0)  p4(1，-1，0) 

那么它变换前画出来是一个在坐标系正中间的一个正方形，如图2a所示。然后假设我们用位移(10，10，10)，即x，y，z轴都向正向移动10个单位，用旋转(0，0，30)，即绕z轴旋转30度，用放缩(1，0.5，1)，即沿y轴缩放到原来的1/2组建成一个影响矩阵。然后用矩阵对顶点进行变换后可以得到最终的顶点位置为： p1(9.38，9.066，10)  p2(8.88，9.93，10)  p3(10.6，10.93，10)  p4(11.11，10.06，10)这四个点就可以组成图2b的形状。 

在步骤S103中，将所述数据存储块中的数据绘制并输出。 

本实施例中，通过基本图形的数据结构进行分类，并根据预置的基本图形集合贴图计算顶点坐标，可以对方便的对基本图形进行读取与管理，方便数据读写，有利于提高3D图像的绘制效率。 

实施例二 

图3示出了本发明3D图形数据处理实现流程，详述如下： 

在步骤S301中，制作基本图形集合贴图。 

此处所指的基本图形集合贴图，是指由多个基本图形绘制在一个画面，从而得到基本图形集合贴图。制作的基本图形集合贴图的素材，可以来自于丰富的网络资源，也可以使用照相机对现实存在的素材进行取照，当然，对于具备图像处理软件操作能力的技术人员，通过图像处理软件，也可获得丰富的基本图形集合贴图数据。将得到的基本图形可以用坐标的方式来表示，对于在一张图中各个基本图形，对应各个不同的坐标信息。 

本发明实施例还可以在制作基本图形集合贴图之后，将多个基本图形用一张图来绘制，可以减少绘制图片的时间。 

在步骤S302中，结合基本图形集合贴图，定义基本图形的数据结构。 

具体的，基本图形是描述需要描画的单一3D图形单位。例如，一个场景需要描画一个粒子系统，包含10000个粒子，其中每一个粒子都是一个单一的图形单位。又如，一个3D场景需要添加5000个中英文字，其中每个文字都是一个单一的图形单位。又如，一个有很多个立方体组成的场景，每个立方体也是一个基本图形。它是我们绘制的基本单位。在本步骤中，我们会把每个基本图形维护一个数据结构，保存相应的信息，数据结构一般包括图形唯一标识、组成图形的点数、位移长度、旋转角度、缩放比例、绘制方式、纹理贴图标识、纹理坐标、顶点数据存储地址偏移、顶点数据存储占用空间等信息，下表所示 为一个典型的3D基本图形的数据结构： 

对于基本粒子的图形数据，每个粒子都由4个点组成一个矩形，不同粒子的属性各不相同，下表示出了其中一个基本粒子的数据表格： 

在步骤S303中，根据所述基本图形的数据结构，对基本图形进行归类，并为不同类别的基本图形分配单独的数据存储块。 

为了达到最高的绘制速度，我们要将绘制方式一致的图形数据归到一起进行统一绘制。所以本步骤中，我们会按照绘制方式将图形数据归类。其中统一类别的数据会整理到一个单独的数据存储块，当然也可以为多个，在此不作具体限制。 

例如，一个粒子系统里面有10000个粒子，其中3000个是点绘制，3000个是四点矩形绘制，剩下4000个是三点三角形绘制。我们首先计算3000个点绘制的粒子，第一个点粒子的顶点数据存储地址偏移属性为0。第二个点粒子的偏移属性为第一个点粒子的偏移(0)再加上第一个点粒子的顶点数据存储占 用空间。由此类推，第三个点粒子的偏移属性为第二个点粒子的偏移加第二个点粒子的数据占用空间。这样经过一次循环后。所有点绘制的粒子的偏移量就可以全部计算出来。而最后点绘制粒子占用的全部内存缓冲区的大小即为最后一个粒子的偏移量加上最后一个粒子的数据占用空间。这是一个完整的绘制方式为点粒子的顶点数据存储地址偏移量的计算方式。 

对于其他绘制方式的图元，也是一样的。每种绘制方式的图元都分别使用本块的数据存储区以及计算各自的偏移地址，以方便对同一绘制方式的图形统一绘制。对不同绘制方式的图形分开绘制。 

在步骤S304中，计算所述基本图形的顶点数据，将顶点数据写入到所述基本图形对应的数据存储块。 

具体的，顶点数据包括顶点位置、顶点uv坐标(即纹理贴图坐标)、顶点颜色、顶点法线等。 

由于3D绘制的特殊性，基本图形是可以具备旋转，缩放等属性的。就像空间中的任何一个物体，都是可以通过平移，旋转，缩放等体现它的3D感。在这一步中，我们可以使用矩阵工具，将位移，旋转角度，缩放大小等通过矩阵工具计算，计算出经过位移，旋转，缩放之后的顶点数据。然后将其写入到数据存储块当中。 

在计算顶点数据的时候，需要先利用位移，旋转，缩放这些属性构建变换矩阵。 

对于顶点数据的计算，现对顶点数据中的顶点位置计算举例说明如下： 

某个图形变换前顶点数据是p1(-1，-1，0)  p2(-1，1，0)  p3(1，1，0)  p4(1，-1，0) 

那么它变换前画出来是一个在坐标系正中间的一个正方形。然后假设我们用位移（10,10,10），即x,y,z轴都向正向移动10个单位，用旋转(0,0,30)，即绕z轴旋转30度，用放缩(1,0.5,1)，即沿y轴缩放到原来的1/2组建成一个影响矩阵。然后用矩阵对顶点进行变换后可以得到最终的顶点位置为：p1(9.38,9.066,10)p2(8.88,9.93,10)p3(10.6,10.93,10)p4(11.11,10.06,10)这四 个点。 

对于顶点u，v坐标可以直接使用基本数据结构里面的u，v坐标数据。不需要变换。 

顶点数据计算完毕以后，根据基本图形的数据结构的不同，将基本图形写入到不同的归类区，如可以根据数据结构中的绘制方式的不同进行分类，绘制方式包括点绘制、线绘制、三角绘制、四点绘制等方式。由于在上一步骤中已经分配好了单独的存储区，并且使用基本图形的顶点数据存储地址偏移属性都能获取到存储区的目标地址。所以计算完毕的数据可以直接使用内存拷贝函数写入数据存储块。 

在步骤S305中，对存储块中的数据绘制并输出。 

经过前面四个步骤后，我们根据绘制方式的不同，分成了几个不同缓冲区。这几个缓冲区都已经分配好了内存，利用相应图形绘制接口(Opengl或者DirectX的绘制语句，如OpenGL使用glDrawArrays函数)，将每个缓冲区的数据进行独自绘制并输出。该类别的基本图形就可以显示在屏幕上。每个类别都绘制完毕后，所有的图形数据都将绘制完毕。 

本实施例中，将分类的多个基本图形统一写入到存储区进行绘制，同一类的多个基本图形数据只通过一次绘制操作即可完成处理后输出至屏幕，可减少图形的绘制时间，提高绘制效率。 

实施例三 

图4示出了本发明3D图形数据处理实现流程，详述如下： 

在步骤S401中，建立二维坐标系。 

在步骤S402中，将多张贴图汇集于该坐标系中构成一幅图像，不同的贴图用不同的坐标来标识。 

对于一般的描画处理，每个图形的贴图都使用一张单独的图片。如描绘粒子图形的时候，如果粒子有星星、水滴、圆圈等多种形状，就可以使用星星贴图、水滴贴图、圆圈贴图等等。在大规模粒子、或者文字的绘制中，使用的贴 图就会变得非常多。这时候把大量贴图都统一做到一张图里就能大大优化纹理的生成和绘制效率。如图5所示，把16张云的形状汇集到同一张图片中。建立u，v坐标来标识其中的一张图，如左上角第一张图的u，v坐标为：0，0到1/4，1/4。 

当有大量的图形对应的大量贴图时，就更加适合采用这种方式把多个贴图形状汇集到同一张贴图中。例如可以使用1024*1024大小的贴图来存储1024个基本图形的贴图，其中每个贴图占用32*32个像素大小。不同贴图用纹理u，v坐标来标识即可。这样1000多种基本图形的贴图就可以只用一张图来绘制，大大减少了生成基本贴图和绘制基本贴图的时间。 

在步骤S403中，结合基本图形集合贴图，定义基本图形的数据结构。 

在步骤S404中，根据图形的数据结构对基本图形进行归类，并为不同类别的基本图形分配单独的数据存储块。 

在步骤S405中，计算所述基本图形的顶点数据，将顶点数据写入到所述基本图形对应的数据存储块。 

在步骤S406中，将所述数据存储块中的数据绘制并输出。 

其中，步骤S403-S406的执行过程和上述实施例一中的步骤S102-S105，在此不作重复赘述。 

本实施例与实施例一的不同之处在于，通过将大量的贴图在汇集到一幅图像进行管理，可以减少生成基本贴图的时间和绘制基本贴图的时间，对于贴图数量越多的情况，其绘制效率越高。 

实施例四 

图6示出了本发明3D图形数据处理实现流程，详述如下： 

在步骤S601中，制作基本图形集合贴图。 

其中，制作基本图形集合贴图的具体步骤和上述实施例三中步骤S401-402相同，详情参见上述实施例，在此不再赘述。 

在步骤S602中，结合基本图形集合贴图，定义基本图形的数据结构。 

在步骤S603中，根据所述基本图形的数据结构，对基本图形进行归类，并为不同类别的基本图形分配单独的数据存储块。 

其中，步骤S602-S603的执行过程和上述实施例三中的步骤S403-S404，在此不作重复赘述。 

在步骤S604中，计算所述基本图形的顶点数据，将顶点数据写入到所述基本图形对应的数据存储块。 

在步骤S605中，将存储于数据存储块中的数据传送至GPU高速缓存的缓冲区。 

在步骤S606中，对GPU高速缓存的缓冲区的数据进行绘制并输出。 

具体的，使用GPU高速缓存代替数据存储块有如下好处： 

1数据存储在显存中，降低了内存需求，直接从显存中显示速度更快。 

2数据不再需要每次从内存复制到显存，减少了CPU工作量。 

如果对效率有更高的要求，并且显示设备支持顶点缓冲特性，就可以使用步骤S505进一步提升速度(目前的PC显卡以及嵌入式显示芯片大部分都支持这个特性)。使用此方法时，我们步骤S504中准备好的数据存储块的数据可以直接利用，不需要任何变化，只是存储数据的位置由内存变成了GPU的高速缓存而已。在OpenGL和DirectX中都有相应API可以进行此项操作。 

实施例五 

图7示出了本发明3D图形数据处理实现流程，详述如下： 

在步骤S701中，制作基本图形集合贴图。 

其中，制作基本图形集合贴图的具体步骤和上述实施例三中步骤S401-402相同，详情参见上述实施例，在此不再赘述。 

在步骤S702中，结合基本图形集合贴图，定义基本图形的数据结构。 

在步骤S703中，根据所述基本图形的数据结构，对基本图形进行归类，并为不同类别的基本图形分配单独的数据存储块。 

在步骤S704中，计算基本图形的顶点数据，将顶点数据写入到所述基本图 形对应的数据存储块。 

其中，步骤S702-S704的执行过程和上述实施例四中的步骤S602-S404，在此不作重复赘述。 

在步骤S705中，判断需要绘制的基本图形是否有位置、旋转、缩放的数据发生改变。如果是，则转至步骤S704，否则转至步骤S706。 

此处，对于是否有位置、旋转、缩放等绘制命令对图形进行变换，是判断需要绘制的依据，当收到相应的绘制命令时，即有相应的数据发生改变，从而进行相应的计算。 

在步骤S706中，对存储块中的数据绘制并输出。 

具体的，当绘制的基本图形的位置、旋转角度、缩放比例等都没有发生变化时，数据是不需要更新的。但若数据发生了变化，就需要更新数据。本方法的好处在于，只需要更新那些数据发生改变的基本图形即可。由于每个基本图形都有一个缓冲区偏移量。所以每个基本图形只需要按照步骤四的计算方法，将它自己的变化后的顶点数据重新计算完毕后，更新到缓冲区里即可。下一次绘制的时候，由于需要绘制的缓冲区相应部分已经更新，绘制后也会相应的更新到画面。 

实施例六 

图8为本发明实施例所提供的3D图形数据处理装置的结构框图，详述如下： 

本发明所述3D图形数据处理装置，包括归类模块803、计算模块804、绘制输出模块805。 

归类模块803：用于根据预置的基本图形的数据结构，对基本图形进行归类，并为不同类别的基本图形分配单独的数据存储块。 

计算模块804：根据预置的基本图形集合贴图与数据结构，计算所述基本图形的顶点数据，将顶点数据写入到所述基本图形对应的数据存储块。 

绘制输出模块805：用于对所述数据存储块中的数据绘制并输出。 

作为进一步的完善，本实施例中的装置还包括：制作模块801、定义模块802、代替模块806、更新模块807，其中： 

所述制作模块801：用于制作基本图形集合贴图，具体包括：建立二维坐标系；将多张贴图汇集于该坐标系中构成一幅图像，不同的贴图用不同的坐标来标识； 

所述定义模块802：用于定义基本图形的数据结构，所述数据结构包括图形唯一标识、组成图形的点数、位移长度、旋转角度、缩放比例、绘制方式、纹理贴图标识、纹理坐标、顶点数据存储地址偏移、顶点数据存储占用空间。 

所述代替模块806：用于将存储于数据存储块中的数据传送至GPU高速缓存的缓冲区。 

所述更新模块807：用于数据更新，当绘制的基本图形有位置、旋转、缩放的数据发生改变时，重新计算该基本图形对应的缓冲区数据。 

本发明还提供了将本实施例所述装置应用于图形处理设备，如手机、电视机等。 

在本发明实施例中，和现有技术相比，可达到以下效果： 

1、通过将大量模型贴图在一幅图像统一管理。几百张、上千张的贴图只使用一幅图像统一管理，可大大提高贴图速度。 

2、将大量模型根据绘制方式进行分类。然后统一绘制。每个模型在使用的时候和普通模型都一样，具有平移、旋转、缩放等属性。而本发明将绘制方式一致的模型的顶点数据重新计算，然后统一写入到一个缓冲区中。从而可以做到上万个模型的数据统一维护在一个数据缓冲区，统一绘制。这上万个模型的数据可以只通过一次绘制操作来描画。 

3、由于大量模型顶点数据使用算法可以维护在一个缓冲区中，所以可以使用新的优化方案。直接使用GPU设备的高速缓冲区代替内存的缓冲区从而进一步的加速绘制。 

4、利用顶点数据缓冲区的数据，当某个模型运动或者变化了以后才需要更 新数据。并且更新时，可以做到只更新变化的部分，从而避免了重复计算。 

值得注意的是，上述装置和系统实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。 

另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各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，相应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、磁盘或光盘等。 

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 (10)

1.一种3D图形数据处理方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

根据预置的基本图形的数据结构，对基本图形进行归类，并为不同类别的基本图形分配单独的数据存储块；

根据预置的基本图形集合贴图与数据结构，计算所述基本图形的顶点数据，将顶点数据写入到所述基本图形对应的数据存储块；

将所述数据存储块中的数据绘制并输出。

2.根据权利要求1所述的3D图形数据处理方法，其特征在于，所述方法还包括制作基本图形集合贴图步骤，所述制作基本图形集合贴图具体包括：

建立二维坐标系；

将多张贴图汇集于该坐标系中构成一幅图像，不同的贴图用坐标来标识。

3.根据权利要求1所述的3D图形数据处理方法，其特征在于，所述方法还包括定义基本图形的数据结构步骤，所述数据结构包括图形唯一标识、组成图形的点数、位移长度、旋转角度、缩放比例、绘制方式、纹理贴图标识、纹理坐标、顶点数据存储地址偏移、顶点数据存储占用空间。

4.根据权利要求3所述的3D图形数据处理方法，其特征在于，所述步骤计算基本图形的顶点数据，将顶点数据写入到所述基本图形对应的数据存储块具体为：

使用矩阵工具，将位移长度，旋转角度，缩放比例通过矩阵工具计算，得出经过位移，旋转，缩放之后的顶点数据，然后将其写入到数据存储块的由数据结构所指定的存储地址中。

5.根据权利要求1所述的3D图形数据处理方法，其特征在于，在所述步骤将存储块中的数据绘制并输出前还包括：

将存储于数据存储块中的数据传送至GPU高速缓存的缓冲区；

所述步骤将存储块中的数据绘制并输出具体为：

将GPU高速缓存的缓冲区的数据绘制并输出。

6.根据权利要求1所述的3D图形数据处理方法，其特征在于，所述方法还包括数据更新步骤，该步骤具体为：当需要绘制的基本图形有位置、旋转、缩放的数据发生改变时，重新计算该基本图形对应的缓冲区数据。

7.一种3D图形数据处理装置，其特征在于，所述装置包括：

归类模块：用于根据预置的基本图形的数据结构，对基本图形进行归类，并为不同类别的基本图形分配单独的数据存储块；

计算模块：用于根据预置的基本图形集合贴图，计算所述基本图形的顶点数据，将顶点数据写入到所述基本图形对应的数据存储块；

绘制输出模块：用于将所述数据存储块中的数据绘制并输出。

8.根据权利要求7所述的3D图形数据处理装置，其特征在于，所述装置还包括：

更新模块：用于数据更新，当绘制的基本图形有位置、旋转、缩放的数据发生改变时，重新计算该基本图形对应的缓冲区数据。

9.根据权利要求7所述的3D图形数据处理装置，其特征在于，所述装置还包括：

制作模块：用于制作基本图形集合贴图，具体包括：建立二维坐标系；将多张贴图汇集于该坐标系中构成一幅图像，不同的贴图用坐标来标识；

定义模块：用于定义基本图形的数据结构，所述数据结构包括图形唯一标识、组成图形的点数、位移长度、旋转角度、缩放比例、绘制方式、纹理贴图标识、纹理坐标、顶点数据存储地址偏移、顶点数据存储占用空间。

10.一种图形处理设备，其特征在于，所述设备包括权利要求8-9任一项所述的3D图形数据处理装置。

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