陸興華　羅文俊　劉仁秋

摘 要：在Android平臺(tái)下進(jìn)行手機(jī)游戲開發(fā)的核心問題是對(duì)游戲中視景仿真界面進(jìn)行動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨動(dòng)，保證視景界面的逼真性。傳統(tǒng)方法中對(duì)手機(jī)游戲中視景圖像的視點(diǎn)隨動(dòng)采用亮點(diǎn)跟蹤方法，對(duì)觀察者視線范圍的限定較大，在當(dāng)前亮點(diǎn)的視線范圍內(nèi)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(jī)游戲視景仿真動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨動(dòng)技術(shù)，基于Android平臺(tái)進(jìn)行手機(jī)游戲虛擬視景仿真的參數(shù)模型構(gòu)建，提取游戲視景圖像的邊緣輪廓特征信息，進(jìn)行多線程信息交互，基于多層次細(xì)節(jié)渲染方法實(shí)現(xiàn)對(duì)游戲視景場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨動(dòng)跟蹤。仿真實(shí)驗(yàn)表明，采用該技術(shù)進(jìn)行模擬海洋戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境下的手機(jī)游戲開發(fā)，能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)游戲視景中艦艇目標(biāo)的動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨動(dòng)，視點(diǎn)附連在場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)體上，視景逼真度較好，性能優(yōu)越。

關(guān)鍵詞：Android平臺(tái)；視景仿真；渲染；動(dòng)態(tài)視點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的發(fā)展，采用圖形與圖像處理技術(shù)，進(jìn)行視景仿真實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的重構(gòu)和再現(xiàn)，在游戲開發(fā)和軍事演練等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，當(dāng)前，Android平臺(tái)上的手機(jī)游戲開發(fā)成為視景仿真應(yīng)用的一個(gè)重要方向，Android平臺(tái)上的手機(jī)游戲開發(fā)是結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)游戲各種功能的應(yīng)用和場(chǎng)景的虛擬再現(xiàn)。Android平臺(tái)上的手機(jī)游戲具有多感知性、交互性、構(gòu)想性，研究手機(jī)游戲虛擬場(chǎng)景仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)視點(diǎn)的隨動(dòng)和跟蹤渲染，在跟隨、旋轉(zhuǎn)和固定偏移的運(yùn)動(dòng)模式下，對(duì)游戲中視景仿真界面進(jìn)行動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨動(dòng)，保證視景界面的逼真性，相關(guān)的算法研究受到人們的重視[1-3]。

傳統(tǒng)方法中，對(duì)機(jī)游戲中視景圖像的視點(diǎn)隨動(dòng)采用亮點(diǎn)跟蹤方法、小生境算法、LOD渲染和網(wǎng)格渲染算法等。該類算法主要是通過對(duì)手機(jī)游戲虛擬場(chǎng)景的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行視景重構(gòu)，采用GPU實(shí)時(shí)圖像跟蹤渲染算法進(jìn)行偏移量測(cè)試，提高了視點(diǎn)的隨動(dòng)性能，但是當(dāng)虛擬場(chǎng)景的復(fù)雜度較高時(shí)，動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨動(dòng)跟蹤渲染的效果不好[4-6]。采用亮點(diǎn)跟蹤算法對(duì)觀察者視線范圍的限定較大，在當(dāng)前亮點(diǎn)的視線范圍內(nèi)視景渲染效果不好。針對(duì)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(jī)游戲視景仿真動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨動(dòng)技術(shù)，首先進(jìn)行基于Android平臺(tái)的手機(jī)游戲虛擬視景仿真的參數(shù)模型構(gòu)建，提取游戲視景圖像的邊緣輪廓特征信息，進(jìn)行多線程信息交互，基于多層次細(xì)節(jié)渲染方法實(shí)現(xiàn)對(duì)游戲視景場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨動(dòng)跟蹤，仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能測(cè)試，展示了本文算法在手機(jī)游戲視景仿真和視點(diǎn)隨動(dòng)跟蹤中的優(yōu)越性能，視景仿真的逼真度較高。

1 視景場(chǎng)景仿真的參數(shù)體系和物理模型構(gòu)建

1.1 基于Android的手機(jī)游戲視景仿真功能模型

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)游戲虛擬場(chǎng)景的視景仿真和三維建模，需要首先構(gòu)建手機(jī)游戲虛擬場(chǎng)景仿真的三維參數(shù)體系，選擇合適的方法求得各個(gè)建模點(diǎn)的分布參數(shù)。手機(jī)游戲的虛擬場(chǎng)景仿真的三維建模軟件采用MAYA、3DStudio MAX，基于Android的手機(jī)游戲視景仿真的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)支持邏輯篩選、分離面裁剪、紋理動(dòng)畫序列等功能，進(jìn)行矢量編輯和建模過程中，通過輸入類似地圖矢量數(shù)據(jù)等手機(jī)游戲開發(fā)的原始信息數(shù)據(jù)，高效地生成、編輯手機(jī)用戶所感興趣的模擬區(qū)域，在限定的范圍內(nèi)隨機(jī)放置某些物體進(jìn)行視景伴隨跟蹤[7]，手機(jī)游戲虛擬場(chǎng)景的三維建模的主要步驟描述如圖1所示。

根據(jù)圖1可見，對(duì)手機(jī)游戲虛擬場(chǎng)景三維建模中參數(shù)體系設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，這里假設(shè) 是一個(gè)手機(jī)游戲虛擬場(chǎng)景建模的三角網(wǎng)模型貢獻(xiàn)點(diǎn)， 表示 在限定模型邊界范圍的游戲界面的視景微小建模點(diǎn)，手機(jī)游戲虛擬場(chǎng)景視景模型由大量的虛擬場(chǎng)景構(gòu)成，需要首先生成表述手機(jī)游戲的虛擬場(chǎng)景數(shù)據(jù)的三維體紋理數(shù)據(jù)，在當(dāng)前視點(diǎn)視線范圍內(nèi)，定義模型邊界范圍的圖像序列表示式為：

式中， 表示 的觀測(cè)值， 為觀察者視線范圍的時(shí)間參數(shù)（ ）， 表示手機(jī)游戲虛擬場(chǎng)景的位置參數(shù)（ ），采用STARMA模型進(jìn)行手機(jī)游戲虛擬場(chǎng)景的三維立體數(shù)據(jù)建模[8-10]。把需要繪制的場(chǎng)景狀態(tài)信息和渲染指令輸入到場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫中，得到手機(jī)游戲虛擬場(chǎng)景模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中， 表示 時(shí)刻觀測(cè)值的 維向量，通過模型多邊形，紋理等信息的重構(gòu)，對(duì)手機(jī)游戲中的圖像場(chǎng)景的紋理和背景區(qū)域進(jìn)行多維透視變換處理，紋理和背景的三維控制由常數(shù) 、 、 、 、 組成的矩陣向量。進(jìn)而將場(chǎng)景圖像數(shù)據(jù)繪制到顯示終端，在網(wǎng)格點(diǎn)所在的位置進(jìn)行空間插值后，進(jìn)入下一幀的渲染循環(huán)，圖像場(chǎng)景渲染的迭代式為：

上式中， 為手機(jī)游戲虛擬場(chǎng)景的三維體紋理數(shù)據(jù)， 為手機(jī)游戲虛擬場(chǎng)景附著物幾何表面沿法向向外偏移向量。通過上述方法進(jìn)行基于Android平臺(tái)下手機(jī)游戲開發(fā)視景仿真，用Creator的Terrain菜單模塊， 打開需要的工程文件，進(jìn)行游戲開發(fā)，整個(gè)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(jìn)行基于Android平臺(tái)下手機(jī)游戲開發(fā)視景仿真的總體描述和渲染設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行物理模型建模。在物理模型建模之前，首先將場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)（如模型多邊形，紋理等）渲染至幀緩存，按照LOD方法進(jìn)行多層次細(xì)節(jié)管理，三維手機(jī)游戲虛擬場(chǎng)景的多層次細(xì)節(jié)LOD映射過程為：

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

在確定網(wǎng)格分辨率時(shí)，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?jiǎng)?chuàng)建MarineWaveGeneratorFFT，在機(jī)器視覺下進(jìn)行動(dòng)態(tài)視點(diǎn)觀測(cè)，得到手機(jī)游戲虛擬場(chǎng)景的物理模型渲染網(wǎng)格權(quán)重為：

其中， 為所需視野范圍的大小， 為給定網(wǎng)格渲染點(diǎn)數(shù)，設(shè)定渲染個(gè)數(shù)、紋理、周期，基于多層次細(xì)節(jié)（LOD）渲染，得到Android動(dòng)態(tài)視點(diǎn)跟蹤的目標(biāo)場(chǎng)為：

其中， 為待貼紋理序列個(gè)數(shù)， 為嵌入維數(shù)， 為時(shí)間延遲，隨著視線繞Z坐標(biāo)軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)視點(diǎn)跟蹤。

2 多線程交互的Android動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨動(dòng)技術(shù)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)

在上述進(jìn)行了游戲視景仿真和物理模型重構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行手機(jī)游戲視景的動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨機(jī)設(shè)計(jì)，對(duì)游戲中視景仿真界面進(jìn)行動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨動(dòng)，保證視景界面的逼真性。傳統(tǒng)方法中對(duì)手機(jī)游戲中視景圖像的視點(diǎn)隨動(dòng)采用亮點(diǎn)跟蹤方法，對(duì)觀察者視線范圍的限定較大，在當(dāng)前亮點(diǎn)的視線范圍內(nèi)視景渲染效果不好。為了克服傳統(tǒng)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(jī)游戲視景仿真動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨動(dòng)技術(shù)，通過提取游戲視景圖像的邊緣輪廓特征信息，進(jìn)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(shè)在手機(jī)游戲虛擬場(chǎng)景表面網(wǎng)格面中有2×2個(gè)像素點(diǎn)，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(shè)置能見度范圍，來模擬各種光照強(qiáng)度下的手機(jī)游戲視景界面的色差，進(jìn)行M-1次傳遞迭代，得到手機(jī)游戲虛擬場(chǎng)景的成像分辨率：

根據(jù)上述方法，將圖像的亮點(diǎn)模型進(jìn)行靜態(tài)視點(diǎn)平滑處理，根據(jù)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨動(dòng)跟蹤和定位。最后，進(jìn)行手機(jī)游戲開發(fā)實(shí)現(xiàn)，在OpenFlight的建模環(huán)境提供了三維圖形觀察器，靈活地加速數(shù)據(jù)庫的組織、模型，用極少的四邊形構(gòu)成高程網(wǎng)格圖模擬動(dòng)態(tài)視點(diǎn)的對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)。為了增強(qiáng)圖像的真實(shí)感，使用紋理映射技術(shù)，提高圖形顯示的刷新頻率。為了避免當(dāng)視線轉(zhuǎn)動(dòng)到法向垂直時(shí)，這個(gè)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(zhuǎn)的方式，由此實(shí)現(xiàn)基于多線程邊緣輪廓特征信息交互的Android手機(jī)游戲視景仿真動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨動(dòng)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與性能分析

為了測(cè)試本文算法在實(shí)現(xiàn)Android手機(jī)游戲視景仿真的動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨動(dòng)跟蹤定位中性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的硬件環(huán)境為：Intel Core2雙核 T5550 CPU，2GB DDRII內(nèi)存，NVIDIA GeForce 8400M GS。軟件采用的是Vega Prime軟件進(jìn)行視景仿真，通過Creator的Raster to DED工具進(jìn)行實(shí)體模型建模。本文開發(fā)的手機(jī)游戲?yàn)橐粋€(gè)模擬海上作戰(zhàn)的手機(jī)游戲，為了使得動(dòng)態(tài)視點(diǎn)將停留在其所指定的坐標(biāo)位置上，需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨動(dòng)處理，首先構(gòu)建游戲的三維物理模型，如圖4所示。

在上述模擬模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，在Android客戶端進(jìn)行游戲開發(fā)，通過函數(shù)可以對(duì)視點(diǎn)位置進(jìn)行設(shè)置、變更，設(shè)置觀察位置：

m_lookAt->setTranslate（600，400，100）

設(shè)置觀察角度：

m_lookAt->setRotate（90，0，0）

仿真系統(tǒng)中，對(duì)于單一的背景聲音采用Win32 API函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，基于多層次細(xì)節(jié)渲染方法實(shí)現(xiàn)對(duì)游戲視景場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨動(dòng)跟蹤，在游戲場(chǎng)景中繪制逼真，天空和海面效果，得到本文方法進(jìn)行相對(duì)動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨動(dòng)的視景仿真效果圖如圖5所示。從圖可見，采用本文方法進(jìn)行手機(jī)游戲視景的動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨動(dòng)，視點(diǎn)附連在場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)體上，能有效實(shí)現(xiàn)包括跟隨、旋轉(zhuǎn)和固定偏移三種相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式，具有較好的逼真性能。

4 結(jié)語

本文結(jié)合在Android平臺(tái)下進(jìn)行手機(jī)游戲開發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨動(dòng)技術(shù)改進(jìn)，優(yōu)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(jī)游戲視景仿真動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨動(dòng)技術(shù)，首先進(jìn)行基于Android平臺(tái)的手機(jī)游戲虛擬視景仿真的參數(shù)模型構(gòu)建，提取游戲視景圖像的邊緣輪廓特征信息，進(jìn)行多線程信息交互，基于多層次細(xì)節(jié)渲染方法實(shí)現(xiàn)對(duì)游戲視景場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨動(dòng)跟蹤，仿真結(jié)果表明，該技術(shù)能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)游戲視景的動(dòng)態(tài)視點(diǎn)隨動(dòng)，視點(diǎn)附連在場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)體上，手機(jī)游戲開發(fā)的視景逼真度較好，性能優(yōu)越。

參考文獻(xiàn)

[1] 李志丹，和紅杰，尹忠科，等. 基于塊結(jié)構(gòu)稀疏度的自適應(yīng)圖像修復(fù)算法[J].電子學(xué)報(bào)，2013，41（3）：549-554.

[2] 盂勃，韓廣良. 基于改進(jìn)的尺度不變特征變換特征點(diǎn)匹配的電子穩(wěn)像算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012，32（10）： 2817-2820.

[3] 王俊， 朱利. 基于圖像匹配-點(diǎn)云融合的建筑物立面三維重建[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)， 2012，35（10）： 2072-2079.

[4] 羅澤峰，單廣超.基于網(wǎng)絡(luò)和虛擬多媒體技術(shù)的海戰(zhàn)平臺(tái)視景仿真實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（3）：91-92，94.

[5] 馮曉萌，吳玲達(dá)，于榮歡，等. 直接體繪制中增強(qiáng)深度感知的網(wǎng)格投影算法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào)， 2015， 37（11）： 2548-2554.

[6] 葛立志.基于全彈道控制分析的水下航行器攻擊模型視景仿真[J].艦船電子工程，2015，35（3）：137-141.

[7] 房娟， 劉洪英， 陳增淦， 等. 基于顯微高光譜成像技術(shù)的運(yùn)動(dòng)和感覺神經(jīng)分類研究[J]. 影像科學(xué)與光化學(xué)， 2015， 33（3）： 203-210.

[8] 張廣燕， 王俊平， 邢潤(rùn)森， 等. PSLIP新模型及在邊緣檢測(cè)和圖像增強(qiáng)中的應(yīng)用[J]. 電子學(xué)報(bào)， 2015， 43（2）： 377-382.

[9] AMENT M， SADLO F， DACHSBACHER C， et al.. Low-pass filtered volumetric shadows[J]. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics， 2014， 20（12）： 2437-2446.

[10] KERSTEN-OERTEL M， CHEN S J， COLLINS D L. An evaluation of depth enhancing perceptual cues for vascular volume visualization in neurosurgery[J]. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics， 2014， 20（3）： 391-403.