基于多線程交互的Android動態視點隨動技術

陸興華　羅文俊　劉仁秋

摘 要：在Android平臺下進行手機游戲開發的核心問題是對游戲中視景仿真界面進行動態視點隨動，保證視景界面的逼真性。傳統方法中對手機游戲中視景圖像的視點隨動采用亮點跟蹤方法，對觀察者視線范圍的限定較大，在當前亮點的視線范圍內視景渲染效果不好。提出一種基于多線程邊緣輪廓特征信息交互的Android手機游戲視景仿真動態視點隨動技術，基于Android平臺進行手機游戲虛擬視景仿真的參數模型構建，提取游戲視景圖像的邊緣輪廓特征信息，進行多線程信息交互，基于多層次細節渲染方法實現對游戲視景場景的動態視點隨動跟蹤。仿真實驗表明，采用該技術進行模擬海洋戰爭環境下的手機游戲開發，能有效實現對手機游戲視景中艦艇目標的動態視點隨動，視點附連在場景運動體上，視景逼真度較好，性能優越。

關鍵詞：Android平臺；視景仿真；渲染；動態視點

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2163（2015）06-

Abstract： In the Android platform the core of the problem for mobile game development is on game visual simulation interface of dynamic viewpoint with dynamic， assurance the fidelity of the scene interface. Traditional methods in visual image of mobile phone game viewpoint follow-up by bright spot tracking method， the observation limit of line of sight range is larger， in the line of sight range related to current bright spot optic scene rendering effect is not good. A dynamic viewpoint of Android mobile game based on multi thread edge contour information is proposed. Firstly， the parameters model is constructed to extract the edge contour feature information from the visual image of the game. The simulation experiments show that the mobile game development can be realized by using the technology to simulate the mobile phone game development， and it can realize the dynamic viewpoint of the target in the mobile game.

Keywords： Android platform； Visual Simulation； Rendering； Dynamic Viewpoint

0 引言

隨著計算機圖像處理技術的發展，采用圖形與圖像處理技術，進行視景仿真實現虛擬場景的重構和再現，在游戲開發和軍事演練等領域具有重要的應用價值，當前，Android平臺上的手機游戲開發成為視景仿真應用的一個重要方向，Android平臺上的手機游戲開發是結合虛擬現實技術和控制技術實現游戲各種功能的應用和場景的虛擬再現。Android平臺上的手機游戲具有多感知性、交互性、構想性，研究手機游戲虛擬場景仿真技術，實現對動態視點的隨動和跟蹤渲染，在跟隨、旋轉和固定偏移的運動模式下，對游戲中視景仿真界面進行動態視點隨動，保證視景界面的逼真性，相關的算法研究受到人們的重視[1-3]。

傳統方法中，對機游戲中視景圖像的視點隨動采用亮點跟蹤方法、小生境算法、LOD渲染和網格渲染算法等。該類算法主要是通過對手機游戲虛擬場景的內部結構參數進行視景重構，采用GPU實時圖像跟蹤渲染算法進行偏移量測試，提高了視點的隨動性能，但是當虛擬場景的復雜度較高時，動態視點隨動跟蹤渲染的效果不好[4-6]。采用亮點跟蹤算法對觀察者視線范圍的限定較大，在當前亮點的視線范圍內視景渲染效果不好。針對上述問題，本文提出一種基于多線程邊緣輪廓特征信息交互的Android手機游戲視景仿真動態視點隨動技術，首先進行基于Android平臺的手機游戲虛擬視景仿真的參數模型構建，提取游戲視景圖像的邊緣輪廓特征信息，進行多線程信息交互，基于多層次細節渲染方法實現對游戲視景場景的動態視點隨動跟蹤，仿真實驗進行了性能測試，展示了本文算法在手機游戲視景仿真和視點隨動跟蹤中的優越性能，視景仿真的逼真度較高。

1 視景場景仿真的參數體系和物理模型構建

1.1 基于Android的手機游戲視景仿真功能模型

為了實現對手機游戲虛擬場景的視景仿真和三維建模，需要首先構建手機游戲虛擬場景仿真的三維參數體系，選擇合適的方法求得各個建模點的分布參數。手機游戲的虛擬場景仿真的三維建模軟件采用MAYA、3DStudio MAX，基于Android的手機游戲視景仿真的設計性能指標支持邏輯篩選、分離面裁剪、紋理動畫序列等功能，進行矢量編輯和建模過程中，通過輸入類似地圖矢量數據等手機游戲開發的原始信息數據，高效地生成、編輯手機用戶所感興趣的模擬區域，在限定的范圍內隨機放置某些物體進行視景伴隨跟蹤[7]，手機游戲虛擬場景的三維建模的主要步驟描述如圖1所示。

根據圖1可見，對手機游戲虛擬場景三維建模中參數體系設計是關鍵，這里假設 是一個手機游戲虛擬場景建模的三角網模型貢獻點， 表示 在限定模型邊界范圍的游戲界面的視景微小建模點，手機游戲虛擬場景視景模型由大量的虛擬場景構成，需要首先生成表述手機游戲的虛擬場景數據的三維體紋理數據，在當前視點視線范圍內，定義模型邊界范圍的圖像序列表示式為：

式中， 表示 的觀測值， 為觀察者視線范圍的時間參數（ ）， 表示手機游戲虛擬場景的位置參數（ ），采用STARMA模型進行手機游戲虛擬場景的三維立體數據建模[8-10]。把需要繪制的場景狀態信息和渲染指令輸入到場景數據庫中，得到手機游戲虛擬場景模型數學表達式為：

式中， 表示 時刻觀測值的 維向量，通過模型多邊形，紋理等信息的重構，對手機游戲中的圖像場景的紋理和背景區域進行多維透視變換處理，紋理和背景的三維控制由常數 、 、 、 、 組成的矩陣向量。進而將場景圖像數據繪制到顯示終端，在網格點所在的位置進行空間插值后，進入下一幀的渲染循環，圖像場景渲染的迭代式為：

上式中， 為手機游戲虛擬場景的三維體紋理數據， 為手機游戲虛擬場景附著物幾何表面沿法向向外偏移向量。通過上述方法進行基于Android平臺下手機游戲開發視景仿真，用Creator的Terrain菜單模塊， 打開需要的工程文件，進行游戲開發，整個游戲視景仿真的文件的組成如圖2所示。

1.2 游戲視景的物理模型建模

在上述進行基于Android平臺下手機游戲開發視景仿真的總體描述和渲染設計的基礎上，進行物理模型建模。在物理模型建模之前，首先將場景數據庫中的相關數據（如模型多邊形，紋理等）渲染至幀緩存，按照LOD方法進行多層次細節管理，三維手機游戲虛擬場景的多層次細節LOD映射過程為：

其中， 表示三維手機游戲虛擬場景圖形渲染引擎中的原始點， 為三維手機游戲虛擬場景的模型映射點。使用OpenFlight建模環境得到三維手機游戲虛擬場景的全局最佳重構路徑，采用網格矢量裁剪的方法求取整個場景中的高分辨率像素信息，得到不同分辨率下的視景場景的網格重構圖如圖3所示。

在確定網格分辨率時，通常離觀察者近的地方保持較高的分辨率，在Lynx Prime面板中需要創建MarineWaveGeneratorFFT，在機器視覺下進行動態視點觀測，得到手機游戲虛擬場景的物理模型渲染網格權重為：

其中， 為所需視野范圍的大小， 為給定網格渲染點數，設定渲染個數、紋理、周期，基于多層次細節（LOD）渲染，得到Android動態視點跟蹤的目標場為：

其中， 為待貼紋理序列個數， 為嵌入維數， 為時間延遲，隨著視線繞Z坐標軸方向轉動，進行動態視點跟蹤。

2 多線程交互的Android動態視點隨動技術改進實現

在上述進行了游戲視景仿真和物理模型重構的基礎上，進行手機游戲視景的動態視點隨機設計，對游戲中視景仿真界面進行動態視點隨動，保證視景界面的逼真性。傳統方法中對手機游戲中視景圖像的視點隨動采用亮點跟蹤方法，對觀察者視線范圍的限定較大，在當前亮點的視線范圍內視景渲染效果不好。為了克服傳統方法的弊端，本文提出一種基于多線程邊緣輪廓特征信息交互的Android手機游戲視景仿真動態視點隨動技術，通過提取游戲視景圖像的邊緣輪廓特征信息，進行多線程信息交互，游戲視景圖像的邊緣輪廓特征信息的提取過程描述為如下，首先假設在手機游戲虛擬場景表面網格面中有2×2個像素點，得到的全部幀圖像在 處的灰度值為：

即 分別表示能見度 左邊和上邊的一階鄰域像素灰度值，在Lynx Prime中設置能見度范圍，來模擬各種光照強度下的手機游戲視景界面的色差，進行M-1次傳遞迭代，得到手機游戲虛擬場景的成像分辨率：

根據上述方法，將圖像的亮點模型進行靜態視點平滑處理，根據視景圖像的位置、尺度、主方向等信息，采用多線程信息交互，實現動態視點隨動跟蹤和定位。最后，進行手機游戲開發實現，在OpenFlight的建模環境提供了三維圖形觀察器，靈活地加速數據庫的組織、模型，用極少的四邊形構成高程網格圖模擬動態視點的對應頂點。為了增強圖像的真實感，使用紋理映射技術，提高圖形顯示的刷新頻率。為了避免當視線轉動到法向垂直時，這個面就變成一條直線的情況，通過Geometry Tools把面變換為體，選擇了按邊旋轉的方式，由此實現基于多線程邊緣輪廓特征信息交互的Android手機游戲視景仿真動態視點隨動。

3 仿真實驗與性能分析

為了測試本文算法在實現Android手機游戲視景仿真的動態視點隨動跟蹤定位中性能，進行仿真實驗，實驗的硬件環境為：Intel Core2雙核 T5550 CPU，2GB DDRII內存，NVIDIA GeForce 8400M GS。軟件采用的是Vega Prime軟件進行視景仿真，通過Creator的Raster to DED工具進行實體模型建模。本文開發的手機游戲為一個模擬海上作戰的手機游戲，為了使得動態視點將停留在其所指定的坐標位置上，需要進行動態視點隨動處理，首先構建游戲的三維物理模型，如圖4所示。

在上述模擬模型構建的基礎上，在Android客戶端進行游戲開發，通過函數可以對視點位置進行設置、變更，設置觀察位置：

m_lookAt->setTranslate（600，400，100）

設置觀察角度：

m_lookAt->setRotate（90，0，0）

仿真系統中，對于單一的背景聲音采用Win32 API函數來實現，基于多層次細節渲染方法實現對游戲視景場景的動態視點隨動跟蹤，在游戲場景中繪制逼真，天空和海面效果，得到本文方法進行相對動態視點隨動的視景仿真效果圖如圖5所示。從圖可見，采用本文方法進行手機游戲視景的動態視點隨動，視點附連在場景運動體上，能有效實現包括跟隨、旋轉和固定偏移三種相對運動方式，具有較好的逼真性能。

4 結語

本文結合在Android平臺下進行手機游戲開發項目進行動態視點隨動技術改進，優化視景仿真效果，本文提出一種基于多線程邊緣輪廓特征信息交互的Android手機游戲視景仿真動態視點隨動技術，首先進行基于Android平臺的手機游戲虛擬視景仿真的參數模型構建，提取游戲視景圖像的邊緣輪廓特征信息，進行多線程信息交互，基于多層次細節渲染方法實現對游戲視景場景的動態視點隨動跟蹤，仿真結果表明，該技術能有效實現對手機游戲視景的動態視點隨動，視點附連在場景運動體上，手機游戲開發的視景逼真度較好，性能優越。

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