增强现实应用中的三维场景模型优化处理技术研究

刘晓 郭建龙 郝腾飞 冯伟夏

摘  要： 针对增强现实应用中的复杂三维场景实时渲染问题，提出一种结合GPU加速的连续多细节层次（Levels of Detail，LOD）模型优化方法，以便提供更加流畅的用戶感官体验。该方法采用并行局部处理架构，每个网格区域的生成均不依赖于已存在的其他网格，因此三维场景生成不使用任何层次结构，十分适合基于GPU的LOD处理，并且具有高度可扩展性。测试结果表明，相比其他模型优化方法，所提优化方法在流畅度方面表现出更好的性能，有效增加了场景模型的实时性。

关键词： 增强现实; 三维场景; GPU; LOD; 实时渲染; FPS

中图分类号： TN911.73?34; TP391.9                  文献标识码： A                 文章编号： 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

以先进的感官交互为基础的增强现实系统在飞行模拟、地面车辆模拟和大型游戏等高科技应用中扮演着至关重要的角色。尽管近十年来增强现实技术取得了不少进步，但如何在高图像质量和高处理时间之间进行平衡仍然是一个巨大的挑战[1]。新一代图形处理设备中的DirectX 11带来了Tessellation（拆嵌式细分曲面） 技术，能够实现惊人的视觉逼真度和自动连续多细节层次模型[2]，但该设备的使用具有许多限制，且在LOD技术上没有创新。

一种简单的三维场景地形渲染方法是创建一个规则的多边形网格，并根据高度图移动其顶点[3]。但是这样的方法既不高效也不可扩展[4]。目前，已经提出了许多用于有效三维场景渲染的算法。文献[5]提出一种基于LOD纹理映射的三维场景实时渲染技术，同时应用Open GL语言进行算法验证，能够优化纹理内存，提高三维场景实时渲染速度，避免内存浪费。文献[6]提出一种基于过程式纹理重构和混合层次细节模型的渲染方法，与原始模型和几何LOD方法相比，该方法分别实现了约10倍和5倍的渲染加速，可以实时渲染城市级大场景。但是以上算法主要都是基于可见性裁减和分层结构的LOD技术，没有有效利用GPU的高速处理能力。

因此，本文提出一种结合GPU加速的LOD优化方法，以便提供更加流畅的用户感官体验。该方法采用并行局部处理架构，每个网格区域的生成均不依赖于已存在的其他网格，因此三维场景生成不使用任何层次结构，十分适合基于GPU的LOD处理，并且具有高度可扩展性。测试结果表明，相比其他模型优化方法，本文提出的优化方法在流畅度方面表现出更好的性能，从而在保证增强现实场景图像质量的前提下，加快图像加载速度和渲染速度。