CN103413343A - 一种3d图像动画引擎 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种3D图像动画引擎，包括：能够提供大量几何运算、用于创建导入各种网格化模型的3D图形处理模块；和用于实现图形的绘制、渲染的OpenGL底层；所述3D图形处理模块与OpenGL底层封装；所述3D图形处理模块包括：视图、组件和遍历器；所述视图为组件与遍历器连接的接口；所述组件包括：用于存放该组件公共数据的公共数据区，提供方法供手机操作系统和/或该组件的父组件修改公共数据区中公共数据的数据接口，及手机操作系统根据公共数据区的公共数据在一绘图线程中实现组件绘制的图形绘制接口。本发明提供了一种适用于手机操作系统，能有效、流畅显示各类二维或三维图像动画的3D图像动画引擎。

Description

一种3D图像动画引擎

技术领域

本发明涉及一种适用于手机操作系统上显示各类二维或三维图像动画、图形效果的绘图装置和方法，具体为，一种使用OpenGL底层渲染的3D图像动画引擎。

背景技术

手机操作系统主要应用在智能手机上，主流的智能手机有Android和苹果的iOS等。

目前在手机操作平台上对图像或者动画的显示都是基于手机平台自带的UI引擎显示，但手机操作系统自带的UI引擎由于过度封装，其动画和视图是一一对应的，在视图较多的情况下，动画占用的内存开销和引擎驱动计算的开销增大，降低了显示图像或者动画的速度。并且，系统自带的UI引擎只能够显示简单的、单位时间内同时运行数量少的二维动画，更不能显示三维动画，加之，其自带的UI引擎的组件比较复杂，加大了开发人员自定义组件的难度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于手机操作系统，能有效、流畅显示各类二维或三维图像动画的3D图像动画引擎。

本发明的另外一个目的在于提供一种3D图像动画引擎显示图像动画的实现方法。

为实现上述目的，本发明的采用的技术方案如下：

一种3D图像动画引擎，包括：能够提供大量几何运算、用于创建导入各种网格化模型的3D图形处理模块；和用于实现图形的绘制、渲染的OpenGL底层；所述3D图形处理模块与OpenGL底层功能库封装；所述3D图形处理模块包括：视图、组件和遍历器；所述视图为组件与遍历器连接的接口；所述组件包括：用于存放该组件公共数据的公共数据区，提供方法供手机操作系统和/或该组件的父组件修改公共数据区中公共数据的数据接口，及手机操作系统根据公共数据区的公共数据在一绘图线程中实现组件绘制的图形绘制接口。

进一步，所述手机操作系统采用Android系统。

优选地，所述视图为一模仿Android系统视图的UI视图。

进一步，所述组件还包括一动画接口，当需要加载动画时，所述遍历器访问一动画线程中的动画接口，组件根据遍历器对所述动画接口的访问计算并更新所述公共数据区的公共数据。

进一步，所述3D图像动画引擎还包括：用于模拟一些刚体、流体的运动的物理仿真引擎。

优选地，所述物理仿真引擎采用Box2d引擎。

进一步，所述3D图像动画引擎还包括：包含有表示图像和进行图像处理的基本类的2D图形处理模块。

进一步，所述3D图像动画引擎还包括一图像工具库，所述图像工具库包括一M图像和图像特效类。

进一步，所述3D图像动画引擎还支持虚拟人渲染引擎、几何模型和动画数据导出插件、骨骼动画模型生成模块的接入。

为了实现本发明的另外一个目的，本发明采用的技术方案如下：

一种3D图像动画引擎显示图像动画的实现方法，包括以下步骤：

a、初始化3D图像动画引擎，并启动动画主线程和创建渲染线程；

b、动画主线程创建一个模仿Android系统视图的UI视图，并且将该UI视图作为接口，加入引擎遍历的列队中，不停的更新UI视图；

c、动画主线程根据消息，判断是否进行组件的重新排版；

d、动画主线程绘制指令列表存储；

e、渲染线程根据消息，从指令列表中读取绘制指令，执行绘制指令；

f、渲染线程从数据缓冲区提取绘制所需的相关数据；

g、调用OpenGL提供的绘图API进行绘制渲染；

h、动画主线程写数据缓冲区的指针前移，实现循环读取；

i、渲染线程完成绘制后，将读数据缓冲区的指针前移，实现循环读取；

j、整个绘制线程结束后，动画主线程与渲染线程进入休眠循环等待新的绘制消息到达。

相对于现有技术，本发明所述的技术方案以OpenGL作为底层渲染，使得手机操作系统能够非常流畅地同时运行和显示大量各类复杂的二维、三维图像动画；其次，基于3D图像动画引擎将OpenGL底层进行封装，只需通过提供简单易用的接口接入，即可提供开发平台给开发人员进行二次开发，避免开发人员在开发时还要去关注底层细节，有效地提升了开发效率，缩短了开发时间；再次，基于Android系统作为手机操作系统，通过创建一套模拟Android系统UI结构和工作原理的UI视图，在使用上与普通的AndroidUI开发保持一致，既可有效地降低了开发者的门槛，又可实现普通Android开发与OpenGL开发的无缝衔接；最后，本技术方案的平台扩展性强，可用于任何基于OpenGL开发的项目而非仅限于Android平台。

为了充分地了解本发明的目的、特征和效果，以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明。

附图说明

图1是本发明所述3D图像动画引擎的结构示意图；

图2是本发明所述3D图像动画引擎的工作方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种3D图像动画引擎，包括：能够提供大量几何运算、用于创建导入各种网格化模型的3D图形处理模块；和用于实现图形的绘制、渲染的OpenGL底层；3D图形处理模块与OpenGL底层操作进行封装；3D图形处理模块包括视图、组件和遍历器，视图提供有一些基于图像的高层操作，例如特征点匹配，特征点跟踪，图像分割。视图为组件与遍历器连接的接口，遍历器遍历每一个组件，来完成组件的数据更新和绘制图形，再通过视图显示。组件承托着显示到屏幕上的绘图组件，如屏幕上显示的按钮、文本等。这些组件如树状结构分布，一个组件也可以包含着其他子组件。

本实施例中，由于Android系统是一种基于Linux开放性内核的操作系统，仅上市两年便已成为全球最受欢迎的智能设备的操作平台。本发明以Android系统作为手机操作系统为例进行阐述，但本发明的手机操作系统并不限于此。

视图为一模仿Android系统视图类的UI视图，并将该UI视图作为组件与遍历器的接口。在具体的应用当中，开发者根据不同的需要向UI视图添加各种需要被显示的UI组件，以满足UI设计要求。

3D图形处理模块包括组件，所述组件包括数据接口和图形绘制接口以及存放该组件的公共数据的公共数据区，公共数据区存放组件的公共数据，如组件的坐标、组件的长和宽等数据；组件的数据接口用于提供方法给外部如Android系统或者该组件的父组件修改组件的公共数据区中存放的公共数据，Android系统根据遍历器对图形绘制接口的访问，调用公共数据在一图形绘制线程对组件进行绘制。

组件中还包含一动画接口，当需要加载动画时，动画接口在一动画线程中被遍历器访问，组件根据遍历器的对动画接口的访问来计算和更新组件公共数据区中存放的公共数据。

3D图像动画引擎还包括用于模拟一些刚体、流体的运动，以及流体对置于其中的物体的影响的物理仿真Box2d引擎。Box2d引擎采用C++版本，通过jni的方式来使用，抽取libgdx对Box2d封装使用。

3D图像动画引擎还包括包含有表示图像和进行图像处理的基本类的2D图形处理模块，这个模块的功能涵盖图象滤波、图像统计特性表示、图像变换、图像合成，以及诸如形态运算、图像混合等各种常用的图像处理功能。

所述3D图像动画引擎还包括一图像工具库，所述图像工具库包括一M图像和图像特效类。图像工具包包括一M图像和图像特效类，M图像封装了Android系统提供的繁琐的画布坐标变换操作以及画笔设置操作，封装了引擎要显示的图片，并对外提供接口供所述图像特效类调用。M图像可以根据图片的旋转、缩放大小等属性，调用画布的矩阵变换方法及配置，最后调用画布绘制原始位图的方法，从而产生位图的旋转、缩放等效果。

所述3D图像动画引擎还支持虚拟人渲染引擎、几何模型和动画数据导出插件、骨骼动画模型生成模块的接入。

为了实现本发明的另外一个目的，本发明采用的技术方案如下：

如图2所示，一种3D图像动画引擎显示图像动画的实现方法，包括以下步骤：

步骤S101：初始化3D图像动画引擎；

步骤S102：启动动画主线程和步骤S201，此步骤S101创建一个二维数组用来进行双线程读写；

步骤S103：动画主线程创建一个模仿Android系统视图的UI视图，并且将该UI视图作为接口，加入引擎遍历的列队中，引擎可以不停的更新UI视图；

步骤S104：判断动画主线程是否接受到消息，如果是，则进入步骤S105；

步骤S105：将动画主线程的帧与步骤S201中渲染线程的帧进行先进性比对，如果两者帧数差值大于预设值；则返回至步骤S102等待；如果两者帧数差值小于预设值，则进入步骤S106；预设值为数据缓冲区个数，实际取数为2，即一个读一个写；

步骤S106：遍历器遍历视图组件，检查要被刷新的组件是否需要重新排版；如果是，则进入步骤S107；如果否，则直接进入步骤S108；

步骤S107：采用递归调用排版方法进行重新排版，然后进入步骤S108；

步骤S108：产生绘制指令，将绘制指令使用一个列表进行存储；

步骤S109：绘制所需数据（如图片，文字，矩阵，渲染值，顶点位置，纹理坐标），使用对应列表存储；

步骤S110：写数据缓冲区的指针前移，实现循环读取；

步骤S111：整个绘制线程结束后，动画主线程进入休眠循环等待新的绘制消息到达；

步骤S201：创建一个渲染线程，用来处理UI变动的渲染处理；

步骤S202：判断渲染线程是否接受到渲染变动处理消息，如果是，则直接进入步骤S203；如果否，则返回至步骤S201等待；

步骤S203：渲染线程检查数据缓冲区是否可读，使用线程锁避免主线程与渲染线程产生冲突；如果可读，直接进入步骤S204；如果不可读，则返回步骤S201等待；

步骤S204：从指令列表中读取绘制指令，执行每个绘制指令；

步骤S205：从数据缓冲区提取绘制所需的相关数据；

步骤S206：调用OpenGL提供的绘图API进行绘制渲染。

步骤S207：渲染线程完成绘制后，将读数据缓冲区的指针前移，实现循环读取；

步骤S208：整个绘制线程结束后，渲染线程进入休眠循环等待新的绘制消息到达。

以上详细描述了3D图像动画引擎的工作过程，本引擎以OpenGL作为底层渲染，更能发挥硬件加速以及可编程图形管线的优势，能够更高效地实现一些图形图像特效。

在本实施例中，优选采用OpenGLES作为底层渲染，OpenGLES采用了更为高效的批量渲染模式，使用了java.nio.Buffer对象来存储渲染数据，通过调用glVertexPointer()、glNormalPointer()、glcolorPointer()以及glTextureCoordPointer()传入Buffer对象来分别设置顶点位置、法线、颜色和纹理坐标，从而进行批量数据渲染。在设置渲染数据的同时，通过调用glEnableClientState()函数,分别传入GL_VERTEX_ARRAY、GL_NORMAL_ARRAY、GL_COLOR_ARRAY和GL_TEXTURE_COORD_ARRAY来通知底层渲染管线启用相应的渲染属性。

相对于现有技术，本发明所述的技术方案能够单位时间内同时应负大量各类复杂的二维和三维动画运行，基于3D图像动画引擎将OpenGL底层进行封装，只需通过提供简单易用的接口接入，即可提供开发平台给开发人员进行二次开发，避免开发人员在开发时还要去关注底层细节，有效地提升了开发效率，缩短了开发时间；再次，基于Android系统作为手机操作系统，通过创建一套模拟Android系统UI结构和工作原理的UI视图，在使用上与普通的AndroidUI开发保持一致，既可有效地降低了开发者的门槛，又可实现普通Android开发与OpenGL开发的无缝衔接；最后，本技术方案的平台扩展性强，可用于任何基于OpenGL开发的项目而非仅限于Android平台。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明构思在现有技术基础上通过逻辑分析、推理或者根据有限的实验可以得到的技术方案，均应该在由本权利要求书所确定的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种3D图像动画引擎，其特征在于，包括：能够提供大量几何运算、用于创建导入各种网格化模型的3D图形处理模块；和用于实现图形的绘制、渲染的OpenGL底层；所述3D图形处理模块与OpenGL底层封装；所述3D图形处理模块包括：视图、组件和遍历器；所述视图为组件与遍历器连接的接口；所述组件包括：用于存放该组件公共数据的公共数据区，提供方法供手机操作系统和/或该组件的父组件修改公共数据区中公共数据的数据接口，及手机操作系统根据公共数据区的公共数据在一绘图线程中实现组件绘制的图形绘制接口。

2.如权利要求1所述的3D图像动画引擎，其特征在于，所述手机操作系统采用Android系统。

3.如权利要求2所述的3D图像动画引擎，其特征在于，所述视图为一模仿Android系统视图的UI视图。

4.如权利要求1所述的3D图像动画引擎，其特征在于，所述组件还包括一动画接口，当需要加载动画时，所述遍历器访问一动画线程中的动画接口，组件根据遍历器对所述动画接口的访问计算并更新所述公共数据区的公共数据。

5.如权利要求1所述的3D图像动画引擎，其特征在于，所述3D图像动画引擎还包括：用于模拟一些刚体、流体运动的物理仿真引擎。

6.如权利要求5所述的3D图像动画引擎，其特征在于，所述物理仿真引擎采用Box2d引擎。

7.如权利要求1所述的3D图像动画引擎，其特征在于，所述3D图像动画引擎还包括：包含有表示图像和进行图像处理基本类的2D图形处理模块。

8.如权利要求1至7任一项所述的3D图像动画引擎，其特征在于，所述3D图像动画引擎还包括一图像工具库，所述图像工具库包括一M图像和图像特效类。

9.如权利要求1至7任一项所述的3D图像动画引擎，其特征在于，所述3D图像动画引擎还支持虚拟人渲染引擎、几何模型和动画数据导出插件、骨骼动画模型生成模块的接入。

10.一种3D图像动画引擎显示图像动画的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、初始化3D图像动画引擎，并启动动画主线程和创建渲染线程；

b、动画主线程创建一个模仿Android系统视图的UI视图，并且将该UI视图作为接口，加入引擎遍历的列队中，不停的更新UI视图；

c、动画主线程根据消息，判断是否进行组件的重新排版；

d、动画主线程绘制指令列表存储；

e、渲染线程根据消息，从指令列表中读取绘制指令，执行绘制指令；

f、渲染线程从数据缓冲区提取绘制所需的相关数据；

g、调用OpenGL提供的绘图API进行绘制渲染；

h、动画主线程写数据缓冲区的指针前移，实现循环读取；

i、渲染线程完成绘制后，将读数据缓冲区的指针前移，实现循环读取；

j、整个绘制线程结束后，动画主线程与渲染线程进入休眠循环等待新的绘制消息到达。

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