CN1949272A - 基于视域剔除和图像缓存技术的复杂场景快速绘制方法 - Google Patents

Abstract

基于视域剔除和图像缓存技术的复杂场景快速绘制方法，其步骤为：(1)采用场景图结构来组织所有的绘制元素；(2)采用基于包围盒的视域剔除算法判断绘制元素中的节点是否可以剔除；(3)对于不能剔除的节点，采用缓存纹理误差判断的方法计算包围盒顶点角度差，如果角度差小于设定的值，则使用已经生成的缓存纹理，否则需要判断能否采用图像缓存算法；(4)对需要采用图像缓存算法的节点生成缓存纹理，进行绘制。本发明它考虑了三维图形引擎软件的特点，能够有效地解决图像缓存方法中，由于未考虑视域不可见剔除，而造成的绘制元素复杂度计算偏差引起图像缓存误判断，从而降低绘制效率的问题。另外，通过对图像缓存有效性的判断，可以简化视域不可见剔除的判断，提高绘制效率。

Description

基于视域剔除和图像缓存技术的复杂场景快速绘制方法

技术领域

本发明涉及一种图形引擎快速绘制方法，特别是一种基于场景图结构的图形引擎快速绘制方法。

背景技术

由于计算机所绘制场景的复杂度日益增加，对图形的快速绘制方法的研究也越来越多。要求采用先进的图形绘制算法对场景进行优化，加速场景绘制，均衡考虑图形绘制速率和所绘制图像的视觉质量。在满足图象质量的视觉要求下，尽可能提高图像绘制速率。

目前用来加速复杂场景绘制速率，提高计算机实时绘制能力的主要技术有：可见性剔除算法(Visibility Culling)、层次细节算法(LOD)和基于图像的绘制算法(IBR)等快速绘制技术。其中可见性剔除算法是通过评估一个绘制元素或一组绘制元素的可见性来剔除不可见的绘制元素，从而减少送入渲染管道的绘制元素的数量，提高绘制速度。根据可见性评估的依据，可分为三类：视域剔除(View-Frustum Culling)，遮挡剔除(Occlusion Culling)和背面剔除(Back-Face Culling)。

层次细节算法的核心思想是简化场景，在不影响画面视觉效果的前提条件下通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性，提高绘制效率。

基于图像的绘制算法利用二维的图像信息来表达和绘制虚拟场景，达到较好的真实感和实时性。IBR算法主要可分为两大类：以图像作为绘制元素的纯IBR算法和以几何及图像作为绘制元素的混合式IBR算法。基于图像的绘制方法可生成照片一样真实感强的图像，而且具有绘制速率与场景复杂度无关的优点，但不能满足交互显示的目的。层次细节算法的绘制方法是交互性较好，但层次细节LOD转换时的图像跳跃问题以及不同层次细节区域之间如何保持连续性而不出现裂缝，都是亟待解决的问题。

总体来说，上述三种方法仍满足不了快速绘制的需要，因此，本发明将视域剔除和图像缓存结合起来，大大提高了绘制效率。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有图形引擎快速绘制技术的不足，提供一种基于视域剔除和图像缓存技术的复杂场景快速绘制方法，它考虑了基于场景图结构的三维图形引擎的特点，有效地提高了三维图形引擎中复杂场景的绘制效率。

本发明的技术解决方案：基于视域剔除和图像缓存技术的复杂场景快速绘制方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)采用场景图结构来组织所有的绘制元素；

(2)采用基于包围盒的视域剔除算法判断绘制元素中的节点是否可以剔除；(采用坐标轴对称的包围盒作为绘制元素的包围体，如果包围体位于视域平头四棱锥之外，则不可见剔除)；

(3)对于不能剔除的节点，采用缓存纹理误差判断的方法计算包围盒顶点角度差，如果角度差小于设定的值，则使用已经生成的缓存纹理，否则需要判断能否采用图像缓存算法，判断方法是：对此节点及其子节点采用视域剔除算法，来计算此节点需要绘制的面片数量，得到绘制复杂度，如果复杂度低于设定的值，则不需要采用图像缓存算法，否则就需要采用图像缓存算法；

(4)对需要采用图像缓存算法的节点生成缓存纹理，进行绘制。

所述的步骤(2)基于包围盒视域剔除算法为：采用坐标轴对称的包围盒作为绘制元素的包围体，如果包围体位于视域平头四棱锥之外，则不可见剔除。

所述的步骤(4)所述的图像缓存算法：基于场景图结构的多缓存纹理的图像缓存算法，即对于一个节点，保存多张缓存纹理存放在场景图结构中。

所述的步骤(4)生成缓存纹理的方法：将生成缓存纹理的几何实体单独在一个视口中绘制；拷贝像素矩形；最后将这块像素矩形作为缓存纹理代替原来的几何实体参与这一帧的绘制。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用了场景图的组织结构，并在此结构上采用快速绘制方法，能够大大提高图形引擎中对大规模场景的绘制速度。

(2)本发明能够有效地解决图像缓存方法中，由于未考虑视域不可见剔除，而造成的绘制元素复杂度计算偏差引起图像缓存误判断，从而降低绘制效率的问题。

(3)本发明采用多缓存纹理管理，利用帧间图像变化小的特点，可以重复利用前几帧已经生成的缓存纹理，这样可以避免生成新缓存纹理的巨大开销，从而避免绘制速率的剧烈变化。

(4)本发明通过对图像缓存有效性的判断，可以简化视域不可见剔除的判断，提高绘制效率。

附图说明

图1为本发明的算法流程图；

图2为本发明中的场景图结构；

图3为本发明的视域剔除方法中VF中一个平面与AABB包围盒位置关系判断流程图；

图4为本发明的缓存纹理生成方法中包围矩形的获取图；

图5为本发明中的基于场景图结构的多缓存纹理实例图；

图6本发明中的复杂场景下快速绘制方法渲染效果图。

具体实施方式

如图1所示，本发明算法的流程分为以下六个部分：(1)用场景图结构组织三维场景，在绘制三维场景的时候，遍历场景图的节点。(2)然后采用VFC算法，判断此节点是否可以剔除。如果可以剔除则不绘制此节点及其子节点，算法结束。否则进入下一步。(3)采用缓存纹理误差判断，即计算包围盒顶点角度差的方法，决定是否使用已经生成的缓存纹理。如果采用已经生成的缓存纹理，则用此缓存纹理绘制此节点及其子节点，算法结束。否则进入下一步。(4)计算当前节点距离视点的距离，判断是否大于生成图像缓存的距离阈值。如果小于阈值，则绘制此节点，算法结束。否则进入下一步。(5)采用VFC算法对此节点的字节点进行不可见剔除，计算需要绘制的面片数量，判断是否大于生成缓存纹理的面片数量阈值。如果小于阈值，则绘制此节点，算法结束。否则进入下一步。(6)采用图像缓存算法绘制此节点及其子节点，算法结束。

具体实现步骤如下：

第一步，如图2所示，把图形引擎中的绘制元素组织成场景图结构。场景图的第一个节点是根节点，包含两个字节点，左子节点是地形，右子节点是一个绘制实体。绘制实体下面又包含绘制实体1和绘制实体2两个子节点。其中绘制实体1有Part1和Part2两部分组成，Part1包含两个绘制几何体。

场景图中的每一个节点都是数据的存储结构，每个节点都需要存储用以描述自身的属性信息(Attribute)，包括三类：(1)场景的组织结构信息，如父节点或子节点的句柄；(2)支持绘制流程的各种信息，节点的包围盒、包围球等；(3)描述表现自身所需的各类特征属性信息，如位置坐标、变换矩阵以及颜色、材质等。

第二步，如图3所示，视域剔除方法中的主要工作集中在VF与BV的位置关系。本发明在视域剔除过程中，结合场景图的特点，采用坐标轴对称的包围盒(Axis-Aligned Bounding Box，以下简称AABB)作为BV，AABB虽然不能精确表征被包含的绘制元素的外观，但其求解和表示都相对简单，且易于与VF进行位置关系的判断，采用AABB可以提高算法的执行效率。

本发明规定组成VF的6个平面的法线都指向VF内部，方向为“上”，其反方向为“下”。如果AABB完全位于任一个平面之“下”，则AABB与VF相离；如果AABB完全位于六个平面之“上”，则AABB包含于VF；其他情况AABB与VF相交。由此，判断虚拟场景中节点的AABB与VF的位置关系即转化为求解模型空间中的VF，以及判断AABB与组成VF的六个平面的位置关系。VF由其上、下、左、右、前、后6个所在的平面P_i(A_i，B_i，C_i，D_i)来表示，其中i＝1，2，…6，且平面P_i的法线方向指向VF内部。

VF求解的基本思路是：在已知投影空间中的VF(中心为原点，边长为2，各个面与坐标平面平行的立方体)，投影变换矩阵Mp和视变换矩阵Mv的前提下，先求解出视空间中的VF，再求解模型空间中的VF。设投影空间中任意平面P(A，B，C，D)，在视空间中与之对应的平面为P′(A′，B′，C′，D′)，在模型空间中与之对应的平面为P″(A″，B″，C″，D″)。则有以下两式成立：

P′＝P*Mp(1)，P″＝P′*Mv(2)

由(1)、(2)两式可求得模型空间中VF的平面

P″＝P*Mp*Mv      (3)

本发明中AABB包围盒的六个平面在模型空间中平行于对应的坐标平面，采用模型X、Y、Z轴向的最大值(x_max，y_max，z_max)和最小值(x_min，y_min，z_min)来表示AABB包围盒。判断VF中一个平面P_i(A_i，B_i，C_i，D_i)与AABB包围盒位置关系的算法流程如图3所示：AABB的最高点H和最低点L与平面P_i(A_i，B_i，C_i，D_i)中的参数符号相关。最高点H(x，y，z)如下：如果A_i≥0，取x＝x_max，反之取x＝x_min；如果B_i≥0，取y＝y_max，反之取y＝y_min；如果C_i≥0，取z＝z_max，反之取z＝z_min。最低点L取AABB中与最高点H相对的顶点。分别计算最高点H和最低点L到平面的距离d，由公式(4)决定：

$d=\frac{|A_{i}x+B_{i}y+C_{i}z+D_i|}{\sqrt{A_i^2+B_i^2+C_i^2}}---\left(4\right)$

只需要判断距离d的符号d′＝A_ix+B_iy+C_iz+D_i，如果最高点H到P_i的距离d′＜0，则AABB位于P_i下；如果最低点L到P_i的距离d′＞0，则AABB位于P_i上；其他情况，AABB与P_i相交。

第三步，对于不能剔除的节点采用缓存纹理误差判断，即计算包围盒顶点角度差的方法，如果角度差小于设定的值，则使用已经生成的缓存纹理。否则需要判断能否采用图像缓存算法，具体判断方法是：对此节点的子节点采用视域剔除算法，来计算此节点需要绘制的面片数量，得到绘制复杂度，如果复杂度低于设定的值，则不需要采用图像缓存算法，否则就需要采用图像缓存算法。比如：当前节点A是一张桌子，其子节点包含桌面子节点B、桌腿子节点C。则应该对B、C两个节点分别采用视域剔除算法，来删除不可见的节点，计算需要绘制的面片数量，从而得到绘制复杂度。

第四步，主要包括缓存纹理的生成方法，及多缓存纹理的组织结构两个内容。首先介绍缓存纹理的生成方法，图4表示的是缓存纹理生成方法中包围矩形的获取图。缓存纹理并不是简单地拷贝上一帧几何实体的绘制结果。几何实体经过模型空间到屏幕投影的过程，在屏幕坐标系下得到一个充分包围几何实体生成图像的极小矩形，它所包含的图像就是该几何实体的纹理图像，我们再将这个屏幕坐标系下的纹理矩形映射到模型空间中的一个矩形上，这个矩形我们叫做包围矩形，它是屏幕坐标系下矩形的反投影，即屏幕坐标系转换到模型空间坐标系。

首先要找到几何实体的包围矩形，这个矩形将是粘贴缓存纹理的几何体。在透视投影条件下，这个矩形要求包含物体的所有几何信息且应尽量小，如图4所示，在这个俯视图中，V代表视点，O为包围球的中心，AB表示包围矩形。得到这个矩形的步骤如下：

(1)求得几何实体包围球的半径r与中心点O。

(2)过视点作圆锥体，它与节点的包围球相切。

(3)与过节点中心的且与视点中心点连线垂直的平面相交，得一圆，半径为W。称之为包围圆。

(4)作包围圆的外切正方形，这个正方形就是包围矩形。

本发明在生成缓存纹理的过程中，将生成缓存纹理的几何实体单独在一个视口中绘制；拷贝像素矩形；最后这块像素矩形作为缓存纹理代替原来的几何实体参与这一帧的绘制，这可以解决前遮挡产生的缓存纹理生成不准确的问题。

下面介绍多缓存纹理的组织结构。图5表示的是一个基于场景图结构的多缓存纹理实例。Impostor节点包含两个缓存纹理节点TexGeometry，并有SpriteManager类进行管理。生成缓存纹理，会产生很大的开销，因而如果缓存纹理只能在生成以后一两帧的画面中有效，势必经常需要重新绘制原有几何实体，再生成纹理。这样会导致绘制速率的剧烈变化，并且绘制加速效果也十分有限，因而需要判断使用缓存纹理的条件。权衡是否使用缓存纹理有以下两个因素：(1)绘制元素距离当前视点的距离。(2)绘制元素本身的复杂度。如果绘制元素距离视点较近时采用缓存纹理进行替代，缓存纹理失效的频率会比较高，需要反复生成新的缓存纹理，会大大降低系统绘制效率，因此，绘制元素距离当前视点的距离必须大于一个阀值(可由用户指定)。另一方面，当绘制元素比较简单时，如果采用本算法，所需的时空开销和带来的收益可能会抵消，甚至会产生负面的影响，降低绘制效率，所以，要求应用本算法的绘制元素应具备一定的复杂性，最基本的标准是组成该绘制元素的基本图元数应大于一个阀值(可由用户指定)。

对于场景图中的一个节点，可以生成多个缓存纹理。为了防止缓存纹理空间的无限增长，本发明规定了一个缓存纹理的可用空间大小。当此节点满足生成缓存纹理的条件时，首先查看是否有已经生成的缓存纹理可用，如果有则直接绘制缓存纹理；如果没有则申请新的缓存空间。在申请新的缓存空间时，如果还有剩余空间，则分配；如果没有足够空间，则调用替换策略，分配空间。理论上有多种替换策略可供选择：最佳淘汰算法要求预知漫游者的游览路径，不适合实时交互式场景要求；最近最少使用(LRU，LastRecenly Used)替换算法未考虑当前视点与关键帧视点的关系，且要求追踪多个纹理的使用情况，空间开销较大；最近未使用置换法需要淘汰的数据块是最近使用过的数据块，而生成该缓存纹理时关键帧的视点距离当前视点较近，有可能被再次使用。

缓存纹理的空间连续性是与视点位置相关的，因而当前视点距离缓存纹理的有效范围越远时，越不可能在最近被重新使用。因此采用如下替代策略：在当前没有被使用的缓存纹理集中，淘汰当前视点距离缓存纹理视点最远的缓存纹理，因为缓存纹理被重新使用的概率相对而言比较小。本发明的替换算法能够重复利用缓存纹理，特别是在视点往复运动的情况下具有明显的加速效率。

为了实现多缓存纹理，本发明扩展了场景图结构，增加了Impostor，TexGeometry和Sprite三类节点。Impostor节点，负责几何绘制与缓存纹理绘制之间的切换。它有两类子树，分别包含几何体的信息与缓存纹理的信息。TexGeometry节点，包含缓存纹理将被映射到的几何平面的信息，如包围矩形、参考矩形的顶点坐标。Sprite节点，包含纹理的特性，实现了生成缓存纹理以及保存缓存纹理功能。同时，实现了SpriteManager类负责管理缓存的分配与回收，它包含一个指向缓存纹理节点的指针链表，并不属于场景图中的基本节点。当场景图的全部纹理缓存的使用超出给定值，寻找当前视点与生成纹理时的视点距离最远的Sprite予以销毁，释放缓存资源。

下面结合具体的实施例验证本发明在图形引擎中绘制效率。

实施例：测试了本发明对于大规模场景的绘制效率。

(1)采用虚拟城市街区模型(36万三角面片)，在Pentium 4CPU 2.4G，内存512M，NVDIA GeForce FX5200的普通PC环境下对算法进行验证，可以达到21.2帧/秒的效果，渲染效果如图6所示。

(2)通过实验对比，得到本发明的方法与其他相关方法的绘制效率比较如表1所示：(单位：帧/秒)。

表1本发明的方法与其他相关方法的绘制效率对比

	无加速算法	VFC算法	图像缓存算法	本文算法
					城市街区(36万面片)战场环境(1.9万面片)	6.212.3	11.814.9	9.021.0	21.224.3

(3)由以上的结果可以看出，在复杂场景下，本发明的方法和视域剔除算法、图像缓存算法相比，能够有效地提高场景绘制效率。

Claims (4)

1、基于视域剔除和图像缓存技术的复杂场景快速绘制方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)采用场景图结构来组织所有的绘制元素；

(2)采用基于包围盒的视域剔除算法判断绘制元素中的节点是否可以剔除；

(3)对于不能剔除的节点，采用缓存纹理误差判断的方法计算包围盒顶点角度差，如果角度差小于设定的值，则使用已经生成的缓存纹理，否则需要判断能否采用图像缓存算法，判断方法是：对此节点及其子节点采用视域剔除算法，来计算此节点需要绘制的面片数量，得到绘制复杂度，如果复杂度低于设定的值，则不需要采用图像缓存算法，否则就需要采用图像缓存算法；

(4)对需要采用图像缓存算法的节点生成缓存纹理，进行绘制。

2、根据权利要求1所述的基于视域剔除和图像缓存技术的复杂场景快速绘制方法，其特征在于：所述的步骤(2)基于包围盒视域剔除算法为：采用坐标轴对称的包围盒作为绘制元素的包围体，如果包围体位于视域平头四棱锥之外，则不可见剔除。

3、根据权利要求1所述的基于视域剔除和图像缓存技术的复杂场景快速绘制方法，其特征在于：所述的步骤(4)所述的图像缓存算法：基于场景图结构的多缓存纹理的图像缓存算法，即对于一个节点，保存多张缓存纹理存放在场景图结构中。

4、根据权利要求1所述的基于视域剔除和图像缓存技术的复杂场景快速绘制方法，其特征在于：所述的步骤(4)生成缓存纹理的方法：将生成缓存纹理的几何实体单独在一个视口中绘制；拷贝像素矩形；最后将这块像素矩形作为缓存纹理代替原来的几何实体参与这一帧的绘制。

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