增強現實應用中的三維場景模型優化處理技術研究

劉曉 郭建龍 郝騰飛 馮偉夏

摘 ?要： 針對增強現實應用中的復雜三維場景實時渲染問題，提出一種結合GPU加速的連續多細節層次（Levels of Detail，LOD）模型優化方法，以便提供更加流暢的用戶感官體驗。該方法采用并行局部處理架構，每個網格區域的生成均不依賴于已存在的其他網格，因此三維場景生成不使用任何層次結構，十分適合基于GPU的LOD處理，并且具有高度可擴展性。測試結果表明，相比其他模型優化方法，所提優化方法在流暢度方面表現出更好的性能，有效增加了場景模型的實時性。

關鍵詞： 增強現實; 三維場景; GPU; LOD; 實時渲染; FPS

中圖分類號： TN911.73?34; TP391.9 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）09?0180?03

Research on optimal processing technology of 3D scene model

in augmented reality application

LIU Xiao1， 2， GUO Jianlong2， HAO Tengfei2， FENG Weixia2， 3

（1. Hubei Institute of Fine Arts， Wuhan 430060， China;

2. Education Training Evaluation Center， Guangdong Power Grid Co.， Ltd.， Guangzhou 510520， China;

3. School of Automation， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510000， China）

Abstract： Aiming at the real?time rendering problem of complex 3D scenes in augmented reality application， a continuous levels of detail （LOD） optimization method combining graphics processing unit （GPU） acceleration is proposed to provide more smooth sense experience for users. The parallel local processing architecture is adopted in the method， and each mesh region is generated independently of other existing meshes. 3D scene generation does not use any hierarchical structure， is very suitable for GPU?based LOD processing， and has high scalability. The test results show that， in comparison with other model optimization methods， the proposed optimization method has higher performance in term of fluency， and can enhance the real?time performance of the scene model effectively.

Keywords： augmented reality; 3D scene; GPU; levels of detail; real?time rendering; frames per second

0 ?引 ?言

以先進的感官交互為基礎的增強現實系統在飛行模擬、地面車輛模擬和大型游戲等高科技應用中扮演著至關重要的角色。盡管近十年來增強現實技術取得了不少進步，但如何在高圖像質量和高處理時間之間進行平衡仍然是一個巨大的挑戰[1]。新一代圖形處理設備中的DirectX 11帶來了Tessellation（拆嵌式細分曲面） 技術，能夠實現驚人的視覺逼真度和自動連續多細節層次模型[2]，但該設備的使用具有許多限制，且在LOD技術上沒有創新。

一種簡單的三維場景地形渲染方法是創建一個規則的多邊形網格，并根據高度圖移動其頂點[3]。但是這樣的方法既不高效也不可擴展[4]。目前，已經提出了許多用于有效三維場景渲染的算法。文獻[5]提出一種基于LOD紋理映射的三維場景實時渲染技術，同時應用Open GL語言進行算法驗證，能夠優化紋理內存，提高三維場景實時渲染速度，避免內存浪費。文獻[6]提出一種基于過程式紋理重構和混合層次細節模型的渲染方法，與原始模型和幾何LOD方法相比，該方法分別實現了約10倍和5倍的渲染加速，可以實時渲染城市級大場景。但是以上算法主要都是基于可見性裁減和分層結構的LOD技術，沒有有效利用GPU的高速處理能力。

因此，本文提出一種結合GPU加速的LOD優化方法，以便提供更加流暢的用戶感官體驗。該方法采用并行局部處理架構，每個網格區域的生成均不依賴于已存在的其他網格，因此三維場景生成不使用任何層次結構，十分適合基于GPU的LOD處理，并且具有高度可擴展性。測試結果表明，相比其他模型優化方法，本文提出的優化方法在流暢度方面表現出更好的性能，從而在保證增強現實場景圖像質量的前提下，加快圖像加載速度和渲染速度。