林曉佳

摘 要：隨著虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality， VR）技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，其三維模型的建立已經(jīng)被越來(lái)越多地應(yīng)用在動(dòng)畫(huà)制作方面。一個(gè)復(fù)雜虛擬場(chǎng)景的真實(shí)感是否強(qiáng)烈，與三維模型的精細(xì)程度直接相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，三維場(chǎng)景中三角面的數(shù)量與該場(chǎng)景的真實(shí)感呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，反之則真實(shí)感越弱；雖然增加三角面的數(shù)量可以提高真實(shí)感，但是其也會(huì)帶來(lái)繪制速度的降低，即實(shí)時(shí)性無(wú)法得到有效保障。因此，一個(gè)虛擬場(chǎng)景的真實(shí)感和實(shí)時(shí)性便成為一對(duì)矛盾的存在。所以本文在傳統(tǒng)的細(xì)節(jié)層次（Levels of Detail， LOD）模型生成算法的基礎(chǔ)上，總結(jié)并提出了自適應(yīng)的細(xì)節(jié)層次模型生成算法，使其可以在保證實(shí)時(shí)性的前提下，盡可能地增加繪制的三角面的數(shù)量，以獲得最大程度的真實(shí)感。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；三維模型；三角面；細(xì)節(jié)層次；真實(shí)感

中圖分類號(hào)：TP391.9? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2023）05-0040-05

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，其對(duì)于三維場(chǎng)景的處理能力也得到了極大的提高，并且成本也在逐步降低[1]。這使得虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality VR）技術(shù)得到了快速的發(fā)展與應(yīng)用，其三維處理技術(shù)也被越來(lái)越多地應(yīng)用在動(dòng)畫(huà)的制作當(dāng)中，展現(xiàn)出了十分廣闊的應(yīng)用前景。

對(duì)于現(xiàn)今的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代來(lái)說(shuō)，三維圖像在移動(dòng)端和個(gè)人電腦（Personal Computer PC）端的實(shí)時(shí)生成和渲染，已經(jīng)成為動(dòng)畫(huà)領(lǐng)域和虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域中用戶體驗(yàn)的核心與關(guān)鍵[2]。要使觀看者有更強(qiáng)的真實(shí)感，那么就意味著三維場(chǎng)景中點(diǎn)、線、面的數(shù)量越多，即三維場(chǎng)景的渲染質(zhì)量越好[3]；這就會(huì)造成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)銷增大，尤其是內(nèi)存和處理器的處理速度，這對(duì)三維場(chǎng)景的渲染速度有極大的影響，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)就會(huì)感受到三維圖像的流暢性欠佳[4]。另一方面，如果只是追求三維圖形的顯示速度，那么必然會(huì)降低三維圖像的真實(shí)感，也同樣會(huì)造成較差的用戶體驗(yàn)[5]?？偟膩?lái)說(shuō)，需要在三維場(chǎng)景的渲染速度和渲染質(zhì)量間尋找一個(gè)平衡點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)有兩種方式，即可以通過(guò)由硬件方式提升計(jì)算機(jī)的性能，和通過(guò)模型簡(jiǎn)化和數(shù)學(xué)加速這兩種方式[6]。通過(guò)提升計(jì)算機(jī)硬件性能的方式，就可以認(rèn)為是增加計(jì)算機(jī)的內(nèi)存容量、處理器性能、顯卡顯存容量等，比如采用多核處理器和專業(yè)高端的顯卡[7]。通過(guò)模型簡(jiǎn)化和數(shù)學(xué)加速的方式，即采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，在硬件性能不變的情況下，獲得最優(yōu)的繪制質(zhì)量[8]。采用提升計(jì)算機(jī)硬件性能的方式會(huì)極大的增加消費(fèi)者的使用成本，這就使得通過(guò)模型簡(jiǎn)化和數(shù)學(xué)加速的方式得到了較多的應(yīng)用。細(xì)節(jié)層次（Level of detail LOD）模型就是一種最常用的模型加速方法，但是其在三維圖像的真實(shí)性和實(shí)時(shí)性協(xié)調(diào)方面還有較大的提升空間[9，10]。

綜上所述，目前大多數(shù)的研究都是在某一單一方面，比如如何提高計(jì)算機(jī)或播放媒體的硬件性能，來(lái)提高三維圖像的渲染速度和渲染質(zhì)量；比如通過(guò)優(yōu)化算法來(lái)提升三維圖像的渲染質(zhì)量。這些解決方法都忽略了一個(gè)問(wèn)題，即計(jì)算機(jī)硬件性能、渲染速度、渲染質(zhì)量三者與用戶體驗(yàn)相適配的問(wèn)題。所以，根據(jù)不同的計(jì)算機(jī)硬件性能，協(xié)調(diào)三維圖像的真實(shí)性和實(shí)時(shí)性，是十分具有研究?jī)r(jià)值的。本文在LOD模型的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行自適應(yīng)的改進(jìn)，使其在不同計(jì)算機(jī)硬件配置的情況下，在真實(shí)性和實(shí)時(shí)性平衡點(diǎn)尋找上具有較好的效果。

1 細(xì)節(jié)層次（LOD）模型生成方法

細(xì)節(jié)層次模型被定義為，通過(guò)虛擬場(chǎng)景中攝像機(jī)與三維模型的距離，來(lái)確定采用與之對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。一般采用的規(guī)則是，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)采用精度較低的模型，距離較近時(shí)采用精度較高的模型。細(xì)節(jié)層次（LOD）模型已經(jīng)成為了優(yōu)化三維圖像繪制速度最有效的方法。目前，細(xì)節(jié)層次（LOD）模型的實(shí)現(xiàn)，靜態(tài)LOD和動(dòng)態(tài)LOD是兩種最常用的實(shí)現(xiàn)方法，其具體區(qū)別如圖1所示。

1.1 靜態(tài)LOD技術(shù)

靜態(tài)LOD技術(shù)，該技術(shù)在渲染前就會(huì)提前設(shè)定一組不同的模型，來(lái)分別對(duì)應(yīng)不同的三維場(chǎng)景，并事先進(jìn)行約定。其原理就是根據(jù)三維模型到攝像機(jī)距離等級(jí)的不同，將其對(duì)應(yīng)為不同的模型，可以通過(guò)圖2更加直觀的表示。

一般來(lái)說(shuō)，可以將靜態(tài)LOD分為三個(gè)層次，即高精度模型（作用范圍小于15米）、中精度模型（作用范圍在15米到30米之間）、低精度模型（作用范圍大于30米），作用范圍即三維模型與攝像機(jī)的距離。

1.2 動(dòng)態(tài)LOD技術(shù)

動(dòng)態(tài)LOD技術(shù)中，每一層次的模型都是通過(guò)上一層次經(jīng)過(guò)點(diǎn)、邊、面的折疊算法生成的。其模型的精度會(huì)逐漸降低，從而保證了場(chǎng)景渲染的連續(xù)性。動(dòng)態(tài)LOD技術(shù)的基于點(diǎn)、線、面折疊的算法如下。

（1）基于頂點(diǎn)折疊的方法。該方法根據(jù)需求刪除某些相對(duì)不重要的頂點(diǎn)，比如通過(guò)在局部范圍內(nèi)擬合一個(gè)平面，通過(guò)獲得頂點(diǎn)到平面的距離來(lái)判斷該頂點(diǎn)是否需要?jiǎng)h減。這種方法可以有效的降低數(shù)據(jù)總量。

（2）基于邊折疊的方法。該方法的原理，就是將一條邊壓縮成為一個(gè)頂點(diǎn)，通過(guò)這樣的操作，可以很容易的減少一個(gè)頂點(diǎn)、三條邊、以及兩個(gè)面的數(shù)據(jù)。如圖3所示。

上圖中新頂點(diǎn)位置的選擇，可以通過(guò)子集法和最優(yōu)法來(lái)得到。

根據(jù)子集法的原理，新頂點(diǎn)必然產(chǎn)生于原頂點(diǎn)中，根據(jù)上圖則為v=v1或v=v2。

根據(jù)最優(yōu)法的原理，新頂點(diǎn)必然滿足二次誤差最小的條件。一種常用的最優(yōu)法的求解方式為：定義頂點(diǎn)v的二次誤差度量為v到其對(duì)應(yīng)的三

（3）基于面折疊的方法。該方法會(huì)選擇一個(gè)面，然后用一個(gè)新的頂點(diǎn)來(lái)替代該面；而與該面相關(guān)的面，均變化為與新頂點(diǎn)的連線。這種方式一次可以刪除兩個(gè)頂點(diǎn)與四個(gè)面。

1.3 兩種技術(shù)的對(duì)比

靜態(tài)LOD技術(shù)和動(dòng)態(tài)LOD技術(shù)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。靜態(tài)LOD技術(shù)所需要的渲染時(shí)間較短，但是其存在著冗余數(shù)據(jù)較多、三維圖像會(huì)出現(xiàn)跳變等問(wèn)題。動(dòng)態(tài)LOD技術(shù)，雖然可以在一定程度上減少冗余數(shù)據(jù)，以及可以有效的避免三維圖像的跳變，但是其渲染所需要的運(yùn)算律較大、時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)帶來(lái)實(shí)時(shí)性的問(wèn)題。

2 自適應(yīng)細(xì)節(jié)層次LOD模型建立

消費(fèi)者所使用的PC機(jī)或移動(dòng)端的情況是各部相同的，這也就造成了其三維圖形的繪制速度是有較大差異的，即最大承受點(diǎn)是不同的。因此，一套自適應(yīng)細(xì)節(jié)層次模型應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際硬件的性能，在保證圖像流暢性的前提下，選取最優(yōu)的三維圖像的繪制速度（幀率FPS）和繪制質(zhì)量（三角面數(shù)）。

2.1 顯卡刷新速率FPS

FPS為每秒可以刷新的幀數(shù)，單位為“幀/秒”，該值越高即可以認(rèn)為三維圖形的繪制速度越快，三維圖像就會(huì)變得越流暢。一般電影的FPS的值為24，即以每秒24幀的速度進(jìn)行畫(huà)面的渲染，電影在這種幀速下，人眼是不會(huì)感覺(jué)到卡頓的。在一個(gè)虛擬3D場(chǎng)景中，其FPS的值是會(huì)隨著三維圖像中三角面數(shù)量的變化而變化的，其FPS的值與流暢度的關(guān)系如下表1所示。

根據(jù)上表可以看出，要保證三維圖像的基本流暢性，需要FPS的值大于40，才能保證實(shí)時(shí)性和流暢性。

2.2 自適應(yīng)細(xì)節(jié)層次模型

自適應(yīng)細(xì)節(jié)層次模型的建立可以分為以下幾步。

首先，計(jì)算得出用戶PC端或移動(dòng)端，在確?！笆至鲿场边@一標(biāo)準(zhǔn)的幀率的前提下，可以渲染的最大三角面的數(shù)量為M。其次，對(duì)本幀的三維模型所需要渲染的三角面的數(shù)量為N；倘若N>M，則采用動(dòng)態(tài)LOD技術(shù)，通過(guò)邊折疊方法來(lái)減少三角面的數(shù)量（降低LOD級(jí)別）；若N

這樣通過(guò)多次運(yùn)算，便可以得到最合適的LOD級(jí)別，在三維圖像的繪制速度和繪制質(zhì)量中找到最優(yōu)解。

3 案例應(yīng)用

為了試驗(yàn)的客觀性，本文在這里選用同一個(gè)三維場(chǎng)景，用兩個(gè)不同硬件配置的PC端進(jìn)行渲染，來(lái)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。由此來(lái)說(shuō)明，自適應(yīng)細(xì)節(jié)層次的LOD模型，相比于傳統(tǒng)的細(xì)節(jié)層次LOD模型，在用戶體驗(yàn)性上有較好的改善。

3.1 測(cè)試環(huán)境搭建

選用兩臺(tái)配置不同的PC來(lái)進(jìn)行三維圖像的渲染，其配置如下表2所示。

由上表可以看出，在處理器（CPU）性能、內(nèi)存、硬盤性能方面，PC1均優(yōu)于PC2。

3.2 測(cè)試過(guò)程

在Unity中建立一個(gè)工程，在該工程中新建一個(gè)三維場(chǎng)景，并且建立一個(gè)Prefab工程添加在其中，當(dāng)每一幀進(jìn)行刷新時(shí)，就在原有的三維場(chǎng)景中添加一個(gè)物體，由此便可以使該三維場(chǎng)景中的三角面數(shù)量不斷增加。通過(guò)記錄每一幀的幀率和三角面數(shù)，進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。在試驗(yàn)時(shí)統(tǒng)一采用Win7平臺(tái)，并且關(guān)閉所有不必要的進(jìn)程，以保證試驗(yàn)的客觀性。

傳統(tǒng)的細(xì)節(jié)層次模型，渲染時(shí)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下圖4所示。

自適應(yīng)的細(xì)節(jié)層次模型，渲染時(shí)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下圖5所示。

3.3 測(cè)試過(guò)程

采用3.2節(jié)的方法，在3.1節(jié)中的PC1和PC2分別進(jìn)行試驗(yàn)。記錄其三角面數(shù)和幀率的數(shù)據(jù)。部分具有代表性的數(shù)據(jù)如下表3和表4所示。

表3為采用傳統(tǒng)的細(xì)節(jié)層次模型進(jìn)行試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)。

由上表的數(shù)據(jù)可以看出，通過(guò)傳統(tǒng)細(xì)節(jié)層次模型來(lái)實(shí)現(xiàn)的三維場(chǎng)景的渲染，在三角面數(shù)量增加時(shí)，其不會(huì)自動(dòng)降低三角面數(shù)量來(lái)提升幀率。這就會(huì)造成在三角面數(shù)量較多時(shí)，三維場(chǎng)景畫(huà)面的卡頓，這會(huì)對(duì)用戶體驗(yàn)產(chǎn)生很強(qiáng)的負(fù)面影響。根據(jù)上表的數(shù)據(jù)也可以看出，計(jì)算機(jī)硬件性能的提升也可以提高三維場(chǎng)景的渲染能力。

表4為采用自適應(yīng)的細(xì)節(jié)層次模型進(jìn)行試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)。

由上表的數(shù)據(jù)可以看出，通過(guò)自適應(yīng)細(xì)節(jié)層次模型來(lái)實(shí)現(xiàn)的三維場(chǎng)景的渲染，在三角面的數(shù)量較低時(shí)，與傳統(tǒng)細(xì)節(jié)層次模型并無(wú)太大的差別，這種情況下以現(xiàn)有計(jì)算機(jī)硬件性能水平，可以很輕松的同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景渲染速度和渲染質(zhì)量的指標(biāo)。在三角面數(shù)量較多時(shí)，該模型會(huì)通過(guò)降低三角面數(shù)量的方式，來(lái)提高幀率，以達(dá)到三維場(chǎng)景十分流暢的水平，這樣可以給用戶更好的體驗(yàn)。

4 結(jié)論

綜上所述，本文研究了三維場(chǎng)景在渲染速度（幀率）和渲染質(zhì)量（三角面數(shù)）的平衡問(wèn)題，通過(guò)模型分析，來(lái)尋找三維場(chǎng)景渲染速度和渲染質(zhì)量平衡點(diǎn)。以傳統(tǒng)的細(xì)節(jié)層次模型為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上充分考慮不同硬件終端設(shè)備性能上的差異，使其在保證三維場(chǎng)景渲染流暢性的前提條件下，選取適合的三角面數(shù)。最終通過(guò)試驗(yàn)可以說(shuō)明，改進(jìn)后的模型與傳統(tǒng)模型相比，可以有效的保障三維場(chǎng)景渲染的流暢性。由此可以使得用戶體驗(yàn)得到進(jìn)一步的提升。

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