三维动画图像纹理实时渲染系统设计

孔素然+殷均平

摘 要： 当前存在一种特殊图像纹理快速渲染技术方法，这种方法与传统思想不同，融合了硬件图像纹理的处理技术，实现了用较少的多边形组成模型完成高质量的动画图像纹理渲染效果，在提高图像纹理渲染速度的同时保证图像纹理渲染的质量。但该方法存在过程较为复杂的问题。为此，提出一种三维动画图像纹理实时渲染系统设计方法，该方法首先对渲染系统进行硬件系统设计，硬件由图像客户端、图像管理节点、存储节点及计算节点组成。通过对渲染图像模型纹理相应坐标点绘制像素达到对动画图像纹理渲染的目的，然后对三维动画图像纹理渲染利用双线性算法进行计算。实验结果证明，提出的对三维动画图像纹理实时渲染系统设计的方法能够降低三维动画图像的成本。

关键词： 三维动画； 节点； 图像纹理； 实时渲染； 双线性算法； 系统设计

中图分类号： TN911.73?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）05?0102?04

Abstract： A special image texture fast rendering technique is put forward， which is integrated with hardware processing technology of image texture to realize the high?quality animation image texture rending effect with less polygon composition models， and ensure the image texture rending quality while improving the image texture rending speed. But this method has complex process. Therefore， a design method of 3D animation image texture real?time rendering system is put forward. The hardware system of the rending system was designed by means of this method. The hardware is composed of the image client， image management node， storage node and calculation node. The pixel is drawn for the coordinate point corresponding to the rendering image model texture to realize animation image texture rendering. And then the image texture rendering of 3D animation is calculated with bilinear algorithm. The experimental results show that the designed method of 3D animation image texture real?time rendering system can reduce the cost of the 3D animation image.

Keywords： three?dimensional animation； node； image texture； real?time rendering； bilinear algorithm； system design

0 引 言

随着时代的发展，渲染成为影视动漫等三维图像制作领域的关键技术，属于计算数据应用技术[1]。对于复杂的动画图像和特效，着色渲染需要大量时间完成，成为动画产业发展的瓶颈。为提高图像纹理的渲染速度，将运行渲染软件的计算机通过高速网络构建起一个图像纹理渲染系统，为各计算节点以同时存在的方式分配渲染任务[2]。因此，对三维动画图像纹理进行实时渲染系统设计具有重要意义[3]。

从目前影视动漫的发展情况来看，在硬件性能条件一定的情况下，优秀的三维动画图像纹理实时渲染系统能在一定程度上提高该系统的性能[4]。目前已提出多种三维动画图像纹理实时渲染系统[5]。文献[6]尽可能加快三维动画图像纹理渲染速度，从而缩短三维动画图像纹理实时渲染的时间，以提高三维动画图像纹理实时渲染的分辨率。文献[7]提出对纹理图像进行Gauss滤波，并将反映纹理信息的高频频谱作为高度图，分别应用胡克定律和摩擦力公式計算虚拟探针对纹理表面作用的法向力和摩擦力。文献[8]提出一种图像处理的纹理触觉模型，并提出图像纹理渲染掩膜概念，通过将子图像与纹理渲染掩膜相对比，直接对操作者反馈图像纹理，有效地对图像边缘和图像纹理进行渲染。并且提出恢复三维形状技术由单幅图像纹理的信息恢复纹理的高度，进行图像纹理的渲染。但该方法存在周期较长的问题。

文献[9]提出一种针对图像纹理渲染的不同图像图案设计概念与技术，并改进了匹配图像纹理合成方法，用三维相关函数对图像纹理的构成和分布进行分析，确定合成图像的大小，将不同图案作为图像纹理结构约束，利用图像颜色空间控制图像色彩的渲染，实现图像纹理结构约束的纹理合成，通过选择两个不同图像进行纹理实验，生成有样品图纹理的特征，还能控制图像色彩变化的不同。但该方法存在成本较高的问题。

针对上述问题，本文提出一种三维动画图像纹理实时渲染系统设计，实验结果证明，三维动画图像纹理实时渲染系统设计在提升图像渲染的基础上，降低了三维动画图像纹理实时渲染系统设计的成本。

1 三维动画图像纹理实时渲染系统设计endprint

1.1 渲染系统整体硬件的构建

三维动画图像纹理实时渲染系统的硬件由图像客户端、图像管理节点、存储节点及计算节点组成。三维动画图像纹理实时渲染系统工作流程如图1所示，客户端将由三维制作软件完成的图像纹理创作上传到存储节点，利用管理节点接口将三维动画图像纹理渲染任务交给图像管理的软件；管理节点对三维动画图像纹理渲染的管理软件进行图像纹理渲染作业的调度与管理、任务分发以及对三维动画图像纹理渲染状态进行实时监控；计算节点为执行三维动画图像纹理渲染的核心，从管理节点读取任务，并对三维动画图像纹理进行渲染；存储节点负责图像纹理渲染系统的数据共享以及三维动画图像存储管理。

动画控制功能能够对图像模型的变形进行计算并对动画图像进行管理。翻译外部图像的相关参数，使用图像变形技术对图像情景模块顶点进行修改。此外，动画控制模块要对动画播放过程进行维护与管理，对图像的定点时滞与图像定时修改进行操作，并使用圖像纹理参数，将图像数据信息传递到渲染模块，使动画效果更加明显的表现出来。

渲染模块对图像纹理资源进行管理，并利用图像处理与动画控制模块输出数据，呈现出视觉的效果。渲染模块在图形接口的协助下对图像数据进行渲染，并通过顶点缓存图像与顶点数据图像对传统渲染系统进行替代，从而使动画图像纹理渲染效率得到有效的提升。对动画图像着色器进行编程，在动画过程中，如果动画控制模块无法提交有效的图像纹理渲染，还要对渲染效果进行处理，从而使动画图像纹理实时渲染效果更加明显。

1） 渲染的软件。由授权发布的跨平台三维渲染和动画制作软件，提供一种强大并足够胜任图像纹理渲染的方案，搭建虚拟图渲染。

2） 三维动画图像纹理操作系统是一款发行版的操作系统，具有低成本、周期短等优点。尤其是支持渲染硬件系统，拥有超过43 000多个编译好的软件。

3） 该渲染系统选用不同配置设备作为渲染计算节点。由开源开发板、客户端、处理器、安装系统以及平板电脑和智能手机组成。渲染系统服务器端与客户端运行在同一PC上。

渲染系统硬件架构如图2所示，服务器相当于图1中的管理节点，从客户端接受初始任务，并分配任务给渲染节点，客户端制作三维动画图像提交任务给管理节点，待三维动画图像纹理渲染结束后收回图像序列结果，负载端为三维动画图像纹理渲染的计算节点，执行实际操作中的三维动画图像纹理渲染工作。由于网络节点少，因此需要对服务器渲染状态进行监视，而服务器和计算节点只需进行任务调度与渲染。所以，三维动画图像纹理渲染的操作系统以节省渲染系统硬件的内存为主。计算机智能设备没有网口，所以三维环境下采用无线路由器TP?Link组建局域网。

1.2 图像纹理渲染方法的软件设计

要想对三维动画图像纹理进行渲染，首先要得到动画图像纹理在三维坐标系中的坐标，最常用的方式就是通过鼠标点击获取。同时，通过对渲染图像模型纹理相应坐标点绘制像素达到三维动画图像纹理渲染的目的。三维动画图像纹理的渲染离不开两个重要数据：图像纹理的位置坐标与该坐标相应颜色的数据。

假设待渲染的动画图像纹理处于三维环境的任意点，同时将动画图像纹理管道与虚拟的画布进行衔接。通过动画图像纹理映射技术将图像数据映射为：

式中：表示图像数据映射；为图像数据，表示图像色彩，表示图像分辨率；为图像数据包。对三维动画图像纹理数据或图像数据包进行分析，得出对应三维动画图像纹理的信息，将其存入虚拟画布中，等待渲染。

设表示图像数据像素位置：

式中：Height为图像输入数据的图像高度；Width为图像输入数据的图像宽度。依据上述表达式能将输入的Height*Width大小图像纹理转化到渲染纹理中。三维动画图像纹理渲染用双线性算法进行计算。

将式（8）代入式（9）中，得出图像输入点像素间的插值。利用求出的值对三维动画图像纹理进行实时渲染系统设计。

2 实验结果与分析

实验平台应用的计算机设备是型号为Dell Precision5510 Intel Core i5?6300HQ（2.3 GHz/L3 6 MB）的处理器，8 GB DDR4内存，Windows 10操作系统以及 NVIDIA Quadro M1000M显卡芯片，硬盘类型为SATA。

实验程序使用C语言进行编写。以框架编程为接口，在当前三维环境下进行动画图像纹理渲染设计，使用调试图像系统性监测工具和分析工具对图像进行跟踪程序流程，对三维动画图像纹理进行实时采样。

通过上述方法得到三维动画图像纹理表示的处理图像，进行动画图像纹理渲染后输出到虚拟三维环境中，图3a）为三维动画图像纹理采样图片，图3b）是使用滤镜对三维动画图像纹理进行渲染的图像。

通过硬件服务器测试三维动画图像纹理渲染流程、动画图像纹理和显示缓冲区的参数。图4是图像纹理延迟时间和图像采样的滤镜在缓冲区像素的计算结果。在进行三维动画图像纹理渲染时出现最高峰值，在峰值最高时将动画图像纹理采样输入到处理内核中，添加线性保护图像后，三维动画图像纹理周期和处理周期相等。

为了在绘图和图像纹理处理过程中进行实时渲染，本文使用工具解析图像缓冲参数。表1是图像纹理参数缓冲输入完毕的相关数据。由于在图像纹理绘制过程中，图像数据通过处理后输出缓冲，因此，硬件服务器检测到动画图像纹理等待的时间为0。表2表示常规处理流程中动画图像纹理操作系统为避免线性冲突对纹理对象增加的等待时间。由于绘图不依赖渲染纹理对象，不存在线性调度的问题，因此，检测到的动画图像纹理等待时间为0。实验数据说明，本文设计的三维动画图像纹理实时渲染系统能够降低三维动画图像的成本。

为进一步证明所提设计方法的有效性，对不同尺度大小的三维动画图像进行实时渲染，渲染效果如表3所示。endprint

在保持三维动画图像纹理渲染速度相同的情况下，无论三维动画图像的大小有何变化，三维动画图像纹理实时渲染的效果都不会改变。

3 结 语

本文提出三维动画图像纹理实时渲染系统设计，通过对渲染图像模型纹理相应坐标点绘制像素达到动画图像纹理渲染的目的，然后对三维动画图像纹理渲染利用双线性算法进行计算，实现了将动画图像融合于三维环境中，解决了影响三维动画图像制作周期长和成本高的问题。三维动画图像纹理实时渲染系统设计将在影视动漫发展中具有良好的应用前景。

参考文献

[1] 段辉丽，唐丽玉.利用OSG三维图形渲染引擎实现的骨骼动画[J].计算机工程与应用，2015，51（3）：40?44.

DUAN Huili， TANG Liyu. Using OSG graphic rendering engine to achieve skeletal animation [J]. Computer engineering and applications， 2015， 51（3）： 40?44.

[2] 高丁莉.统筹城乡视角下农村现代化商贸流通市场评价系统构建[J].商业经济研究，2016，34（2）：142?143.

GAO Dingli. The construction of the evaluation system of the rural modernization and trade circulation market from the perspective of urban and rural [J]. Journal of commercial economics， 2016， 34（2）： 142?143.

[3] 胡建伟，曹娟.基于参考图像的彩墨画快速渲染法[J].计算机应用研究，2016，33（2）：632?635.

HU Jianwei， CAO Juan. Image?based ink and color painting quick rendering method [J]. Application research of computers， 2016， 33（2）： 632?635.

[4] 律睿慜，陈伟，孟磊，等.周期性动态图像的傅里叶表达、渲染及应用[J].计算机应用，2015，35（8）：2280?2284.

L? Ruimin， CHEN Wei， MENG Lei， et al. Fourier representation， rendering techniques and applications of periodic dynamic images [J]. Journal of computer applications， 2015， 35（8）： 2280?2284.

[5] 刘镇，刘晓，梅向东.面向移动终端的分布并行化渲染[J].中国图象图形学报，2015，20（9）：1247?1252.

LIU Zhen， LIU Xiao， MEI Xiangdong. Distributed parallel rendering method for mobile terminals [J]. Journal of image and graphics， 2015， 20（9）： 1247?1252.

[6] 律睿慜，徐曼頔，刘渊，等.融合模糊色彩思维建模的马赛克风格渲染技术[J].计算机辅助设计与图形学学报，2016，28（10）：1688?1698.

L? Ruimin， XU Mandi， LIU Yuan， et al. Artistic mosaic rendering using fuzzy color modeling [J]. Journal of computer?aided design & computer graphics， 2016， 28（10）： 1688?1698.

[7] 孔素然，殷均平.人体特殊动作三维动画建模与渲染方法改进研究[J].微电子学与计算机，2016，33（9）：169?172.

KONG Suran， YIN Junping. The special action study of three dimensional animation modeling and rendering method improvement [J]. Microelectronics & computer， 2016， 33（9）： 169?172.

[8] 严雷，杨晓刚，郭鸿飞，等.结合图像识别的移动增强现实系统设计与应用[J].中国图象图形学报，2016，21（2）：184?191.

YAN Lei， YANG Xiaogang， GUO Hongfei， et al. Mobile augmented reality system design and application based on image recognition [J]. Journal of image and graphics， 2016， 21（2）： 184?191.

[9] 王光磊，裴晨辉，苑昊，等.基于KNN的DSA图像去噪及GPU的快速实现[J].电视技术，2016，40（6）：10?16.

WANG Guanglei， PEI Chenhui， YUAN Hao， et al. DSA image denoising based on KNN and rapid implementation of GPU [J]. Video engineering， 2016， 40（6）： 10?16.endprint