基于虚拟现实的三维动画图像多屏显示系统设计

瓦力斯·阿布力孜 罗岱

摘  要： 为解决传统多屏显示系统图像接收速率过低、单路图像输出速率受限等问题，设计基于虚拟现实技术的新型三维动画图像多屏显示系统。利用动画图像处理平台、规划显示电源、三维多屏SOC显示模块的连接方式，完成新型显示系统的硬件运行环境搭建。将虚拟现实技术分割后的三维动画图像作为读取依据，对显示滤波参数进行重新设置，完成新型显示系统的软件运行环境搭建，结合软、硬件运行单元实现基于虚拟现实技术三维动画图像多屏显示系统的搭建。对比实验结果表明，与传统多屏显示系统相比，应用基于虚拟现实技术的新型三维动画图像多屏显示系统后，平均图像接收速率可以达到2.5 MB/s，单路图像输出速率最大值接近120 MB/s。

关键词： 虚拟现实; 三维动画; 图像显示; 处理平台; 图像分割; 读取处理

中图分类号： TN911.73?34; TP391                   文献标识码： A                  文章编号： 1004?373X（2019）19?0041?05

Abstract： In order to solve the problems of low image receiving rate and limited output rate of simplex image of the traditional multi?screen display system， a new multi?screen display system of three?dimensional animation image is designed， which is based on virtual reality technology. The animation image processing platform is utilized to plan the connection mode of display power supply and three?dimensional multi?screen SOC display module， and build the hardware operation environment of the new display system. The three?dimensional animation image segmented with virtual reality technology is taken as reading basis to reset the parameters of display filtering. The software running environment of the new display system is built. In combination with the software and hardware operation units， the multi?screen display system of three?dimensional animation image is built， which is based on virtual reality technology. The experimental results show that the average image receiving rate of the new three?dimensional animation multi?screen display system based on virtual reality technology can reach 2.5 MB/s and its maximum simplex image output rate can approach to 120 MB/s.

Keywords： virtual reality; 3D animation; image display; processing platform; image segmentation; reading processing

0  引  言

虚拟现实技术是一种常见的计算机仿真系统搭建手段，可以通过创建虚拟景观的方式，使操作者获得真实的感官体验。这种处理技术通过多信息融合的方式，搭建交互式的三维动态视景，对于操作者来说，计算机既是获取感官数据的主要媒介，也是仿真环境的主要维系对象。在计算机技术不断发展的前提下，虚拟现实技术已经成为仿真系统的重要组成环节，是计算机图形学与传感网络学的集中表现形式，既富有极强的发展挑战性，也能体现多学科交叉研究的应用前景[1?2]。虚拟现实技术包含模拟环境、自然技能、感知、传感设备等多个组成环节，可以根据计算机的动态变化情况，对三维立体逼真图像进行实时维护。

传统多屏显示系统借助ITK与ImageView软件绘制三维动画视图，并通过单窗口切片的形式对这些视图进行渲染排列处理，进而使待显示图像具备一定的扩展延伸性。但随着科学技术手段的进步，这种传统系统的图像接收速率与单路输出速率始终不能达到预期水平。为解决上述问题，引入虚拟现实技术，并在SOC显示模块、显示滤波参数等物理条件的支持下，建立一种基于虚拟现实的新型三维动画图像多屏显示系统，并通过设计对比实验的方式，突出该新型系统的实际应用价值。

1  三维动画图像多屏显示系统硬件设计

动画图像处理平台、显示电源、多屏SOC显示模块三个主要单元组成了新型多屏显示系统的硬件运行环境，其具体搭建方法可按如下步骤进行。

1.1  动画图像处理平台设计

新型多屏显示系统的动画图像处理平台以ARM. Corex.?A15 （CA15）+Neon+处理器作为核心搭建设备，且随着系统运行时间的不断延长，该设备可以根据动画图像的存储类型，对待显示数据进行高效集成处理。ARM.Corex.?A15 （CA15）+Neon+处理器具备一定的自定义编程功能，可以按照DSP源代码对所有三维动画图像进行编码排序，并在所有满足虚拟现实传输需求的图像文件后添加.codec脚缀[3?4]。作为新型多屏显示系统的最大硬件运行单元，动画图像处理平台中也包含一个微型的3D图形子系统，可以承载数量级不超过1.5 GHz的内核图像数据。3D图形子系统包含一个图像输入捕捉设备，可以根据多屏显示系统的运行规则对三维动画图像进行一定的物理压缩，以保证SOC模块中能够出现完整的显示画面。详细动画图像处理平台结构如图1所示。

1.2  显示电源设计

显示电源是新型三维动画图像多屏显示系统中最大的硬件执行单元，包含一个额定电压为40 V的集成开关、一个MOSFET功率消耗电阻、一个LDO单片式高压开关稳压器。其中，集成开关直接作用于硬件运行单元中的电压监控器，可以从根本上缓解由多屏显示图像读取处理带来的系统散热，并且在开关保持连续闭合状态的情况下，为MOSFET功率消耗电阻提供合理的多屏图像信息[5?6]。MOSFET功率消耗电阻的阻值始终保持在100 kΩ～2.5 MΩ之间，且可以根据动画图像处理平台中运行数据的承载条件，自行调节接入电路部分的电阻阻值，进而达到控制系统中显示电流的目的。LDO单片式高压开关稳压器作为集成开关的附属结构，可以对系统显示电源的额定电压进行严格限制，并在多屏显示系统的运行过程中，使电源模块供电量具备较低的占空比。显示电源结构如图2所示。

1.3  三维多屏SOC显示模块设计

三维多屏SOC显示模块是整个三维动画图像显示系统硬件运行环节的末尾单元，可以通过投影处理的方式汇总上层处理单元中的物理信息数据。当动画图像处理平台发出运行指令后，显示电源中的集成开关会在瞬间转换为连接状态，并在系统电源的促进下对三维动画图像处理信息进行高效传输[7?8]。对于三维多屏SOC显示模块来说，上级执行单元的汇总信息既是网格、颜色等物理信息的选择标准，也是校正图像纹理的主要依据条件，具体模块结构如图3所示。作为三维多屏SOC显示模块的核心搭建设备，Direct3D9装置可以显示API，DXUT，Shade等多种形式的三维动画图像信息，也能够在图像完整性校验的过程中，确定最终显示动画图像的相关物理信息。整合上述所有硬件设备，实现新型三维动画图像多屏显示系统的硬件运行环境搭建。

2  三维动画图像多屏显示系统软件设计

在硬件运行环境的基础上，通过三维动画图像分割、显示图像读取处理、显示滤波参数设置三个步骤，完成新型多屏顯示系统的软件运行环境搭建。

3.1  实验参数设定

实验组、对照组相关实验参数的具体设定情况如表1所示。

表1中EET参数代表实验时间，TSC参数代表三维动画模拟系数，IRR参数代表平均图像接收速率理想极值，RDA参数代表三维动画现实系数，IOR参数代表单路图像输出速率理想极值。为保证实验结果的绝对公平性，实验组、对照组实验参数始终保持一致。

3.2  平均图像接收速率对比

在三维动画模拟系数为0.67的条件下，以70 min作为实验时间，分别记录在该段时间内，应用实验组、对照组系统后，平均图像接收速率的变化情况。详细对比结果如表2所示。

对比表1，表2可知，实验组系统平均图像接收速率起始值、结束值间的差值为0.6 MB/s，在20～50 min之间时，平均图像接收速率呈现阶梯状下降的趋势，下降幅度为0.1 MB/s，整个实验过程中，平均图像接收速率的最大值为2.5 MB/s，超过理想极值2.3 MB/s。对照组系统平均图像接收速率起始值、结束值间的差值为-0.1 MB/s，低于实验组，在5～60 min之间时，平均图像接收速率呈现循环下降、上升的变化趋势，下降、上升幅度均为0.4 MB/s，整个实验过程中，平均图像接收速率的最大值为1.6 MB/s，低于理想极值2.3 MB/s。综上可知，在三维动画模拟系数为0.67的条件下，应用基于虚拟现实技术三维动画图像多屏显示系统后，平均图像接收速率的最大值提升了0.9 MB/s。

3.3  单路图像输出速率对比

在三维动画现实系数为0.94的条件下，以70 min作为实验时间，分别记录在该段时间内，应用实验组、对照组系统后，单路图像输出速率的变化情况。详细对比结果如表3所示。

对比表1，表3可知，实验组系统单路图像输出速率起始值、结束值间的差值为5.7 MB/s，在35～40 min，45～50 min之间时，单路图像输出速率均呈现明显上升的变化趋势，上升幅度均为4.7 MB/s，整个实验过程中，平均图像接收速率的最大值为119.9 MB/s，超过理想极值4.8 MB/s。对照组系统单路图像输出速率起始值、结束值间的差值为0.9 MB/s，低于实验组，在25～40 min之间时，单路图像输出速率呈现逐渐上升的变化趋势，上升幅度为2.7 MB/s，整个实验过程中，单路图像输出速率的最大值为108.3 MB/s，低于理想极值6.8 MB/s。综上可知，在三维动画现实系数为0.94的条件下，应用基于虚拟现实技术三维动画图像多屏显示系统后，单路图像输出速率的最大值提升了11.6 MB/s。

4  结  语

在ARM.Corex.?A15（CA15）+Neon+处理器、MOSFET功率消耗电阻等硬件设备的支持下，新型三维动画图像多屏显示系统对虚拟现实技术进行充分的运用发挥，并通过设置显示滤波参数等手段，将系统的软件执行环境调试至最佳运行状态。从实用性方面来看，这种新型系统有效解决了图像接收速率低、单路图像输出速率不佳等问题，具备较强的推广可行性。

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