CN116385614B - 基于可视化的3d视觉模块渲染控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种渲染优化方法，尤其为基于可视化的3D视觉模块渲染控制系统，包括：用户控制模块：用于根据用户控制进行3D视觉模块的渲染；数据获取模块：用于获取3D视觉模块的3D图像数据并进行实时处理；三维渲染模块：用于对数据获取模块获取的3D视觉模块的3D图像数据进行三维渲染。本发明通过用户控制模块，数据获取模块和三维渲染模块的协同作用，控制三维渲染模块的渲染，通过三维优化模块对三维渲染过程中的渲染细节进行优化，减少了视觉上出现“突越”的现象，实现场景的优化显示，对超出视野范围的渲染粒子进行剔除，减少了渲染资源的浪费，提高了渲染效率，提升了渲染效果和用户体验感。

Description

基于可视化的3D视觉模块渲染控制系统

技术领域

本发明涉及一种渲染优化方法，尤其是基于可视化的3D视觉模块渲染控制系统。

背景技术

随着虚拟现实的不断发展，人们在使用虚拟现实系统的过程中，对虚拟场景的真实性及实时渲染性的要求也逐步增高，而随之虚拟场景也变得越来越复杂，这就意味着所需要渲染的数据会大得惊人。现如今随着游戏产业的蓬勃发展，虚幻引擎的免费开放吸引了无数游戏开发人士以及学生的使用，在虚幻引擎中创建一个具有真实感的场景势必包含地形、植被、建筑、氛围、特效等，为了使场景的真实感更强，不会出现场景卡顿的现象，最重要的是需要在庞大复杂的虚拟场景中提高渲染效率。

随着计算机显卡处理能力的不断提高，在游戏场景中，越来越多的开发人员倾向于使用三维场景的光影、动画、粒子特效等，使场景画面渲染的真实度越来越高，让用户有身临其境的感觉。引擎中的优化占据着尤为重要的地位，其可优化的覆盖范围非常广泛，涉及到层次细节分配和资源浪费等问题，如图像的渲染过程中，对位于视野内的粒子进行细分操作时，位于视野外的粒子也会参与细分，会造成不必要的渲染资源浪费。要想高效率解决引擎优化问题，必须要找出实际瓶颈所在，然后对症下药，提高工程渲染运行效率。

因此，本发明提供的可视化的3D视觉模块渲染控制系统，从用户控制模块，数据获取模块和三维渲染模块的协同作用，减少渲染资源的浪费，提高渲染效率，实现3D图像数据渲染效果的提升。

发明内容

本发明的目的是通过提出基于可视化的3D视觉模块渲染控制系统，以解决上述背景技术中提出的缺陷。

本发明采用的技术方案如下：

提供基于可视化的3D视觉模块渲染控制系统，包括：

用户控制模块：用于根据用户控制进行3D视觉模块的3D图像数据的渲染；

数据获取模块：用于获取3D视觉模块的3D图像数据并进行实时处理；

三维渲染模块：用于对数据获取模块获取的3D视觉模块的3D图像数据进行三维渲染。

作为本发明的一种优选技术方案：所述数据获取模块实时获取3D视觉模块的3D图像数据并更新。

作为本发明的一种优选技术方案：所述三维渲染模块还包括三维优化模块，用于对三维渲染后的3D图像数据进行优化。

作为本发明的一种优选技术方案：所述三维渲染模块的渲染步骤包括应用阶段、几何阶段和光栅化阶段，所述应用阶段向几何阶段输出渲染图元，所述几何阶段向所述光栅化阶段输出屏幕空间顶点信息。

作为本发明的一种优选技术方案：所述应用阶段向GPU提供场景3D图像数据、执行颗粒度剔除工作和设置三维物体的渲染状态。

作为本发明的一种优选技术方案：所述三维优化模块对3D视觉模块的3D图像各层场景数据的层次细节和应用阶段向几何阶段输出的渲染图元的剔除工作进行优化。

作为本发明的一种优选技术方案：所述三维渲染模块通过对3D视觉模块的3D图像各层场景数据的层次细节优化步骤如下：

假设3D时间模块的图层由一层切换到另一层时，某一顶点由E切换为E′，其高度差为Δh，总过渡时间为t，在切换过程中，对高度进行补偿，再进行等级之间的切换：

其中，h_E′表示点E′的高度；h_E表示点E的高度；Δt表示当前已过渡时间。

作为本发明的一种优选技术方案：所述应用阶段向几何阶段输出的渲染图元的剔除工作中，3D视觉模块中的视野由视椎体唯一确定，当场景位于视椎体内时渲染图元可见，当位于视椎体外时渲染图元不可见，其判断方法为判断渲染图元是否位于任意一个视椎体面的外侧，通过渲染图元所有顶点与视椎体面的法向量夹角是否大于90°，即判断两个向量的点积结果是否小于0。

作为本发明的一种优选技术方案：所述应用阶段向几何阶段输出的渲染图元的剔除工作步骤如下：

设每个视椎体面由以下空间平面一般式方程表示：

Ax+By+Cz+D＝0

其中，A，B，C和D均为常数；x，y和z分别表示x轴、y轴和z轴的坐标；

将上、下、左、右四个视椎体面的一般式方程以矩阵M_F的形式发送给GPU渲染流水线：

其中，F_j代表由某一视椎体面的一般式方程构成的矩阵[A_j B_j C_j D_j]；

在外壳着色器构建渲染图元的顶点矢量矩阵M_V：

其中，V_i表示渲染图元的顶点；k_ix，k_iy和k_iz分别表示顶点的坐标x，y和z分量；

将视椎体面的系数矩阵与顶点矢量矩阵相乘，得到四个视椎体面与渲染图元每个顶点的点积结果组成结果矩阵R：

其中，顶点矢量矩阵简化表示为列矩阵。

作为本发明的一种优选技术方案：所述应用阶段向几何阶段输出的渲染图元的剔除工作中，当结果矩阵R中某个行向量的每个分量都是负数时，表明渲染图元的所有顶点位于某个视椎体面的外侧，剔除该渲染图元。

本发明提供的基于可视化的3D视觉模块渲染控制系统，与现有技术相比，其有益效果有：

本发明通过用户控制模块，数据获取模块和三维渲染模块的协同作用，控制三维渲染模块的渲染，通过三维优化模块对三维渲染过程中的渲染细节进行优化，减少了视觉上出现“突越”的现象，实现场景的优化显示，对超出视野范围的渲染粒子进行剔除，减少了渲染资源的浪费，提高了渲染效率，提升了渲染效果和用户体验感。

附图说明

图1为本发明优选实施例的系统框图。

图中各个标记的意义为：100、用户控制模块；200、数据获取模块；300、三维渲染模块；310、三维优化模块。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明优选实施例提供了基于可视化的3D视觉模块渲染控制系统，包括：

用户控制模块100：用于根据用户控制进行3D视觉模块的3D图像数据的渲染；

数据获取模块200：用于获取3D视觉模块的3D图像数据并进行实时处理；

三维渲染模块300：用于对数据获取模块200获取的3D视觉模块的3D图像数据进行三维渲染。

数据获取模块200实时获取3D视觉模块的3D图像数据并更新。

三维渲染模块300还包括三维优化模块310，用于对三维渲染后的3D图像数据进行优化。

三维渲染模块300的渲染步骤包括应用阶段、几何阶段和光栅化阶段，所述应用阶段向几何阶段输出渲染图元，所述几何阶段向所述光栅化阶段输出屏幕空间顶点信息。

应用阶段向GPU提供场景3D图像数据、执行颗粒度剔除工作和设置三维物体的渲染状态。

三维优化模块310对3D视觉模块的3D图像各层场景数据的层次细节和应用阶段向几何阶段输出的渲染图元的剔除工作进行优化。

三维优化模块310通过对3D视觉模块的3D图像各层场景数据的层次细节优化步骤如下：

假设3D时间模块的图层由一层切换到另一层时，某一顶点由E切换为E′，其高度差为Δh，总过渡时间为t，在切换过程中，对高度进行补偿，再进行等级之间的切换：

其中，h_E′表示点E′的高度；h_E表示点E的高度；Δt表示当前已过渡时间。

应用阶段向几何阶段输出的渲染图元的剔除工作中，3D视觉模块中的视野由视椎体唯一确定，当场景位于视椎体内时渲染图元可见，当位于视椎体外时渲染图元不可见，其判断方法为判断渲染图元是否位于任意一个视椎体面的外侧，通过渲染图元所有顶点与视椎体面的法向量夹角是否大于90°，即判断两个向量的点积结果是否小于0。

应用阶段向几何阶段输出的渲染图元的剔除工作步骤如下：

设每个视椎体面由以下空间平面一般式方程表示：

Ax+By+Cz+D＝0

其中，A，B，C和D均为常数；x，y和z分别表示x轴、y轴和z轴的坐标；

将上、下、左、右四个视椎体面的一般式方程以矩阵M_F的形式发送给GPU渲染流水线：

其中，F_j代表由某一视椎体面的一般式方程构成的矩阵[A_j B_j C_j D_j]；

在外壳着色器构建渲染图元的顶点矢量矩阵M_V：

其中，V_i表示渲染图元的顶点；k_ix，k_iy和k_iz分别表示顶点的坐标x，y和z分量；

将视椎体面的系数矩阵与顶点矢量矩阵相乘，得到四个视椎体面与渲染图元每个顶点的点积结果组成结果矩阵R：

其中，顶点矢量矩阵简化表示为列矩阵。

应用阶段向几何阶段输出的渲染图元的剔除工作中，当结果矩阵R中某个行向量的每个分量都是负数时，表明渲染图元的所有顶点位于某个视椎体面的外侧，剔除该渲染图元。

本实施例中，用户控制模块100根据用户选择的控制方案进行渲染控制，当用户选择对3D视觉模块的3D图像数据进行渲染时，数据获取模块200实时获取3D图像数据并更新，三维渲染模块300按照应用阶段、几何阶段和光栅化阶段的顺序进行3D图像数据的渲染，3D优化模块310对3D视觉模块的3D图像各层场景数据的层次细节进行优化，

如3D时间模块的图层的第一层切换到第二层时，出现顶点E的“突越”现象，顶点由E切换为E′，其高度差为Δh，总过渡时间为t，在切换过程中，对高度进行补偿，再进行等级之间的切换：

其中，h_E′表示点E′的高度；h_E表示点E的高度；Δt表示当前已过渡时间。

通过对3D时间模块的图层的第一层和第二层间的高度进行补偿显示，使原有的顶点高度至出现突然变化的场景得到缓和，减少了视觉上出现“突越”的现象，实现场景的优化显示，获得更佳的视觉效果。

3D优化模块310还对应用阶段向几何阶段输出的渲染图元的剔除工作进行优化，当渲染图元可能超出3D视觉模块中的视野时，通过渲染图元所有顶点与视椎体面的法向量的点积结果进行判断，当结果矩阵R中某个行向量的每个分量都是负数时，表明渲染图元的所有顶点位于某个视椎体面的外侧，剔除该渲染图元，当结果矩阵R中某个行向量的有一个分量不为负数时，表明渲染图元的所有顶点不位于某个视椎体面的外侧，保留该渲染图元。

几何阶段接收来自应用阶段的渲染图元，几何阶段对于渲染图元的操作应用于所有渲染图元，对位于视野内的渲染图元进行细分操作时，位于视野外的渲染图元也会参与细分，造成不必要的渲染资源浪费。通过对渲染图元的位置进行判断，对于位于视野外的渲染图元进行剔除，减少了渲染资源的浪费，提高了渲染效率，提升了渲染效果和用户体验感。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.基于可视化的3D视觉模块渲染控制系统，其特征在于：包括：

用户控制模块(100)：用于根据用户控制进行3D视觉模块的3D图像数据的渲染；

数据获取模块(200)：用于获取3D视觉模块的3D图像数据并进行实时处理；

三维渲染模块(300)：用于对数据获取模块(200)获取的3D视觉模块的3D图像数据进行三维渲染；

所述数据获取模块(200)实时获取3D视觉模块的3D图像数据并更新；

所述三维渲染模块(300)还包括三维优化模块(310)，用于对三维渲染后的3D图像数据进行优化；

所述三维渲染模块(300)的渲染步骤包括应用阶段、几何阶段和光栅化阶段，所述应用阶段向几何阶段输出渲染图元，所述几何阶段向所述光栅化阶段输出屏幕空间顶点信息；

所述应用阶段向GPU提供场景3D图像数据、执行颗粒度剔除工作和设置三维物体的渲染状态；

所述三维优化模块(310)对3D视觉模块的3D图像各层场景数据的层次细节和应用阶段向几何阶段输出的渲染图元的剔除工作进行优化；

所述三维优化模块(310)通过对3D视觉模块的3D图像各层场景数据的层次细节优化步骤如下：

假设3D时间模块的图层由一层切换到另一层时，某一顶点由E切换为E′，其高度差为Δh，总过渡时间为t，在切换过程中，对高度进行补偿，再进行等级之间的切换：

；

其中，h_E′表示点E′的高度；h_E表示点E的高度；Δt表示当前已过渡时间；

所述应用阶段向几何阶段输出的渲染图元的剔除工作中，3D视觉模块中的视野由视椎体唯一确定，当场景位于视椎体内时渲染图元可见，当位于视椎体外时渲染图元不可见，其判断方法为判断渲染图元是否位于任意一个视椎体面的外侧，通过渲染图元所有顶点与视椎体面的法向量夹角是否大于90°，即判断两个向量的点积结果是否小于0；

所述应用阶段向几何阶段输出的渲染图元的剔除工作步骤如下：

设每个视椎体面由以下空间平面一般式方程表示：

Ax+By+Cz+D＝0

其中，A，B，C和D均为常数；x，y和z分别表示x轴、y轴和z轴的坐标；

将上、下、左、右四个视椎体面的一般式方程以矩阵MF的形式发送给GPU渲染流水线：

；

其中，F_j代表由某一视椎体面的一般式方程构成的矩阵[A_j B_j C_j D_j]；

在外壳着色器构建渲染图元的顶点矢量矩阵MV：

；

其中，V_i表示渲染图元的顶点；k_ix，k_iy和k_iz分别表示顶点的坐标x，y和z分量；

将视椎体面的系数矩阵与顶点矢量矩阵相乘，得到四个视椎体面与渲染图元每个顶点的点积结果组成结果矩阵R：

；

其中，顶点矢量矩阵简化表示为列矩阵；

所述应用阶段向几何阶段输出的渲染图元的剔除工作中，当结果矩阵R中某个行向量的每个分量都是负数时，表明渲染图元的所有顶点位于某个视椎体面的外侧，剔除该渲染图元；当结果矩阵R中某个行向量的有一个分量不为负数时，表明渲染图元的所有顶点不位于某个视椎体面的外侧，保留该渲染图元。