（计算机科学与技术专业论文）面向移动设备的图形绘制技术研究.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 摘要 移动设备图形技术研究是嵌入式系统、图形学和移动通讯等学科交叉后形成 的新的研究方向。在资源受限的移动设备上绘制真实感的2 d 3 d 图形的需求日益 迫切。本文主要研究面向移动设备的图形绘制技术，主要内容和贡献点包括： ( 1 ) 移动图形绘制框架。目前的移动图形绘制研究主要面向具体的应用。 本文设计了一个移动图形绘制整体框架，包括本地图形绘制和网络图形绘制。在 本地图形绘制中，图形标准按照层次性、模块化来实现，并针对流水线进行优化。 网络图形绘制包括异构平台中的网络传输方案和图形绘制优化。从面向图形和面 向传输等方面，本文总结出有效的网络图形绘制优化技术，并提出了绘制负载在 客户端、加速器和服务器之间均衡的策略。此框架将移动终端、无线网络和远程 服务器有机地结合起来，具有一定的通用性，可以指导移动图形应用的开发。 ( 2 ) 面向移动设备的矢量图形绘制。目前针对矢量图形标准o p e n v g 的研 究正在进行中。本文分析了o p e n v g 的绘制流水线，提出了完整的路径绘制算法。 针对路径绘制过程中的计算量瓶颈，提出了基于曲率的b 6 z i e r 曲线非均匀细分算 法。该算法既考虑了曲线的特征，又避免对资源占用较多的迭代运算和对计算要 求较高的平坦性检测。算法应用于矢量图形实例，获得了快速高质量的绘制效果。 ( 3 ) 面向移动设备的多样图纹理合成。目前面向移动设备的真实感纹理合 成方面的研究缺乏。基于w a n gt i l e 的纹理合成具有实现简单、存储需求小的优 点，适合在移动平台上实现。本文深入分析c o h e f t 随机贴片算法，提出了一个改 进的基于w a n gt i l e 的双向纹理合成算法。基于h a m m e r s l e y 点集的样本纹理子图 选取策略具有良好的均匀分布和低差异特性；改进的片填充算法扩大了最佳切割 线的寻找范围，有利于消除合成结果的缝隙瑕疵；基于双向扫描的并行贴片算法 提高了合成结果的非周期性。改进的算法与随机填充算法相比，改善了视觉效果。 算法设计充分考虑到移动设备计算和存储能力的限制。 ( 4 ) 面向网络游戏的集成同步技术。同步性问题影响网络游戏的可玩性。 本文总结了影响同步性的因素，将同步算法分为保守和乐观两大类。利用人眼的 视觉特征，本文通过变更对象的运动速度提出自适应同步算法；从补偿网络延迟 和减少带宽需求的角度，在服务器端和客户端分别采用兴趣管理和动态用户列表 技术，从而提高同步性和响应性。试验表明这种集成同步技术的可行性。在此基 础上，本文实现了一个面向健身的虚拟网络马拉松系统，它支持多个用户在一个 浙江大学博士学位论文摘要 虚拟的环境中进行锻炼、训练和比赛，游戏的同时享受健身和娱乐的效果。 关键词：移动图形技术；网络图形绘制：矢量图形；w a n g t i l e ：纹理合成； 同步；虚拟健身游戏 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m o b i l e g r a p h i c si s an e w l ye m e r g e dr e s e a r c hf i e l da s i n t e r - d i s c i p l i n e o f e m b e d d e ds y s t e m ，c o m p u t e rg r a p h i c sa n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n i ti si n c r e a s i n g l y u r g e n tt or e n d e rr e a l i s t i c2 d 3 dg r a p h i c so nm o b i l ed e v i c e sw i t hl i m i t e dr e s o u r c e s t l l i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h et e c h n o l o g i e so fg r a p h i c sr e n d e r i n go nm o b i l ed e v i c e s m a i nc o n t e n t sa n dc o n t r i b u t i o n sa r ee x p r e s s e da sf o l l o w s ： ( 1 ) s t u d i e so nr e n d e r i n gf r a l n e w o r ko fm o b i l eg r a p h i c s c u r r e n t l yr e s e a r c h e so f m o b i l eg r a p h i c sf o c u so nc o n c r e t ea p p l i c a t i o n s o n ec o m p l e t er e n d e r i n gf r a m e w o r k f o rm o b i l eg r a p h i c si sp r e s e n t e d ，w h i c hc o m p r i s e db o t hl o c a la n dr e m o t er e n d e r i n g i n l o c a lr e n d e r i n g ，g r a p h i c ss t a n d a r di si m p l e m e n t e df o l l o w i n gt h er u l e so fh i e r a r c h ya n d m o d u l a r i t y t h e n , o p t i m i z a t i o n sa r ea p p l i e do nr e n d e r i n gp i p e l i n e r e m o t er e n d e r i n g i n c l u d e se f f i c i e n tn e t w o r kt r a n s m i s s i o ns c h e m eo ni s o m e r i cp l a t f o r m sa n dr e n d e r i n g o p t i m i z a t i o n s e f f i c i e n to p t i m i z a t i o n st e c h n o l o g i e sa r es u m m a r i z e df r o ma s p e c t so f g r a p h i c sa n dt r a n s m i s s i o n m e t h o d st ob a l a n c et h er e n d e r i n gw o r k l o a da m o n gt h e c l i e n t , h a r d w a r ea c c e l e r a t o ra n ds e r v e ra r ep r e s e n t e d t h i sf r a m e w o r ki n t e g r a t e st h e c l i e n t s w i r e l e s sn e t w o r ka n dr e m o t es e r v e rt o g e t h e r w i t l ls o m eg e n e r a l i t yc h a r a c t e r , i t c a nb eu s e dt og u i d et h ed e v e l o p m e n to f m o b i l ea p p l i c a t i o n s ( 2 ) v e c t o rg r a p h i c sr e n d e r i n go nm o b i l ed e v i c e s r e s e a r c h e sf o rt h ev e c t o r g r a p h i c ss t a n d a r d , o p e n v ga r co n g o i n g r e n d e r i n gp i p e l i n eo fo p e n v gi sa n a l y z e d ， a n dt h ea l g o r i t h mo fp a t hd r a w i n gi sp r e s e n t e d t os o l v ec o m p u t a t i o nb o t t l e n e c k so f p a t hr e n d e r i n g ，n o n - u n i f o r mt e s s e l l a t ea l g o r i t h mo fb d z i e rc n r v e sb a s e do nl o c a l c u r v a t u r ei sp r e s e n t e d t h es u g g e s t e da l g o r i t h mn o to n l yt a k e st h ef e a t u r e so fc u r v e s i n t oa c c o u n t ，b u ta l s oa v o i d st h er e s o u r c e - h u n g r yi t e r a t i v eo p e r a t i o n sa n d h i g h - c o m p u t a t i o nf l a t t e n i n gt e s t w h e na p p l i e dt ov e c t o rg r a p h i c ss a m p l e s ，t h i s a l g o r i t h mr e s u l t si nf a s ta n dm o r ev i s u a lq u a l i t yg r a p h i c s ( 3 ) t e x t u r es y n t h e s i sb a s e do nm u l t i p l es a m p l e so nm o b i l ed e v i c e c u r r e n t l y , r e s e a r c h e sr e l a t e dt or e a l i s t i ct e x t u r es y n t h e s i so nm o b i l ed e v i c e sa r ef e w t e x t u r e s y n t h e s i sb a s e do nw a n gt i l e si ss u i t a b l ef o rm o b i l ed e v i c eb e c a u s eo ft h es i m p l i c i t y a n dr e l a t i v el o wm e m o r yr e q u i r e m e n t a ni m p r o v e db i d i r e c t i o nt e x t u r es y n t h e s i s a l g o r i t h mi sp r e s e n t e da f t e rd e 印a n a l y z i n gc o h e n ss t o c h a s t i ct i l l i n ga l g o r i t h m m e c h a n i s mo fs e l e c t i n gs a m p l es u b - i m a g e sf r o ms o u r c et e x t u r eb a s e do nh a m m e r s l e y p o i n t ss e ti sc h a r a c t e r i z e db ye v e nd i s t r i b u t i o na n dl o wd i s c r e p a n c y i m p r o v e dm e t h o d o ff i l l i n gt e x t u r ei n t ot i l ee n l a r g e st h er e g i o nf o rs e a r c h i n gt h eb e s tc u tp a t h , w h i c hi s b e n e f i tt or e d u c et h ea r t i f a c to fs e a mi nt h er e s u l t a n db i d i r e c t i o nt i l l i n ge n h a n c e dt h e 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t a p e r i o d i ca p p e a r a n c e t h es u g g e s t e da l g o r i t h mg i v e sb e t t e rv i s u a lq u a l i t y t h a n s t o c h a s t i ct i l l i n g t h ec o n s u a i n t so f b o t hc o m p u t a t i o nc a p a b i l i t ya n dm e m o r ys p a c eo n m o b i l ed e v i c ea r cc o n s i d e r e di nt h ep r o c e s so f a l g o r i t h md e s i g n ( 4 ) s y n t h e s i z e ds y n c h r o n i c i t ym e c h a n i s mf o rn e t w o r kg a m e s s y n c h r o n i c i t y g r e a t l ya f f e c t st h eg a m ep l a y a b i l i t y f a c t o r st h a ti m p a c ts y n e h r o n i c i t ya r es u m m a r i z e d a n dc l l l t e n ta l g o r i t h m sc a l lb ed i v i d e di n t ot w oc a t e g o r i e s ，c o n s e r v a t i v ea n do p t i m i s t i c a d a p t i v es y n c h r o n i c i t ya l g o r i t h mi sp r e s e n t e dt h r o u g ha l t e r i n gt h es p e e do fo b j e c t s ， a n dh u m a nv i s u a lp e r c e p t i o na b i l 时i su t i l i z e da sw e l l t e c h n i q u e so fa r e a - o f - i n t e r e s t a n dd y n a m i cu s e r 4 i s th a v eb e e ni m p l e m e n t e do nt h es i d eo fs e r v e ra n dc l i e n tt o c o m p e n s a t en e t w o r kl a t e n c ya n dr e d u c eb a n d w i d t hr e q u i r e m e n t sr e s p e c t i v e l y s u c h s y n t h e s i z e ds y n c h r o n i c i t ya l g o r i t h mi m p r o v e sb o t hs y n c h r o n i c i t ya n dr e s p o n s e e x p e r i m e n t a le v a l u a t i o no f p r o t o t y p ev a l i d a t e st h ef e a s i b i l i t yo f t h i sm e c h a n i s m b a s e do nt h i ss c h e m e ，o n ep r o t o t y p eo ff i t n e s s - o r i e n t e dv i r t u a ln e t w o r k m a r a t h o ni si m p l e m e n t e d t h i ss y s t e ms u p p o r t sm a n yu s e r st oe x e r c i s e ，t r a i no r c o m p e t ew i t l lo t h e r si no n ev i r t u a le n v i r o n m e n t u s e r se n j o yb o t ht h ee n t e r t a i n m e n t a n df i t n e s sa tt h es a l n et i m e k e y w o r d s ：m o b i l eg r a p h i c s ；r e m o t eg r a p h i c sr e n d e r i n g ；v e c t o rg r a p h i c s ；w a n g t i l e s ；t e x t u r es y n t h e s i s ；s y n c h r o n i c i t y , f i t n e s s - o r i e n t e dv i r t u a lg a m e 浙江大学博士学位论文 录 图目 图目录 图1 1 计算平台的发展过程2 图1 2 移动设备与p c 体系结构比较3 图1 3 移动设备上的典型应用5 图1 _ 4m r i 系统客户端界面和功能示意6 图1 - 5 虚拟布艺品展示效果6 图1 - 6 移动增强现实游戏7 图1 7f l i p q u a d ( 左) 和f l i p t r i ( 右) 采样机制1 0 图1 8 传统和基于片的绘制流水线。l l 图1 - 9k h r o n o s 组织制定的动态媒体系统l l 图1 1 0 矢量图形与b i t m a p j p e g 图像的效果比较1 6 图1 1 l 传统的和基于o p e n v g 的向量图形程序层次结构1 7 图1 1 2 纹理合成发展轨迹1 8 图1 1 3 本文研究工作的框架结构2 0 图2 1 虚拟漫游系统绘制框架 图2 2 移动自适应分布式图形框架 ：! z l ：! z l 图2 3 移动图形绘制总体框架2 5 图2 4 图形绘制系统结构2 8 图2 5 网络通讯信息类型3 0 图2 - 6m o b i l e 3 d 库的片元操作流水线3 5 图2 7 迷宫游戏3 5 图2 8o p e n v g 软实现的绘制流水线。3 6 图2 9o p e n v g 实现的层次结构。3 7 图3 1 路径绘制和描边路径算法流程4 l 图3 2 路径的端点和交点类型4 1 图3 - 3 光栅化算法流程4 2 图3 4b e z i e r 曲线拐点示意图4 8 图3 5 老虎头矢量图形绘制实例4 9 图3 - 6 贺卡矢量图形绘制实例4 9 图3 7 三种细分算法执行时间比较5 0 图3 8 曲率法和等分法绘制时间对比5 l 图3 - 9 基于曲率法和等分法光栅化边数比较5 1 图4 - 1w a n gt i l e 示意图5 4 图4 2 基于w a n gt i l e 绘制的地形5 4 图4 3w a n gt i l e 随机贴片算法流程5 5 图4 4 四个样本子图像组合生成一个片5 6 图禾5 带有视觉瑕疵的纹理合成图5 7 m 浙江大学博士学位论文 图目录 图4 6 双向纹理合成算法。5 8 图4 7h a m m e r s l e y 点集：1 0 0 1 0 0 区域内的1 0 0 个点6 0 图4 8 待填充的片和用于填充的样本子图像。6 1 图4 9 片纹理填充算法6 1 图4 - 1 0 组合生成的填充有纹理的片6 l 图4 1 l 双向贴片算法“ 图4 - 1 2 样本子图像的存储示意图“ 图4 - 1 3 双向纹理合成程序界面6 5 图4 1 4 双向纹理合成算法结果6 6 图4 - 1 5 合成结果比较。从左至右依次是纹理、随机贴片和双向贴片6 7 图5 1d e a dr e c k o n i n g 算法示意图7 0 图5 2 同步算法消息流7 l 图5 3 自适应同步算法7 2 图5 - 4 集成同步算法客户端绘制执行流程7 3 图5 5e a s y b o w l i n g 系统7 4 图5 - 6 虚拟健身中心示意图7 4 图5 7 虚拟健身网络游戏系统示意图。7 6 图5 8 虚拟网络马拉松系统示意图7 6 图5 - 9 游戏情节部分中的角色、人物形象、场景和运动模式选择7 7 图5 1 0 训练模式和锻炼模式7 8 图5 1 l 竞技模式7 8 图5 1 2 基于中间件结构的硬件设计7 9 图5 1 3 服务器端线程执行模型8 0 图5 一1 4 数据库管理模块功能8 l 图5 - 1 5 客户端多线程执行过程8 2 图5 1 6 同步算法效果比较8 5 图5 1 7v n m 虚拟人同步示意图。8 6 图5 1 8 带有碰撞检测体的虚拟人8 7 图5 1 9 样图纹理合成的山坡8 8 浙江大学博士学位论文 表目录 表目录 表1 1 移动设备资源限制及影响5 表1 2 主要图形标准及其特点1 2 表2 1 消息分类和通讯协议3 1 表3 1 路径绘制时参数取值4 4 表3 - 2 路径绘制时属性和绘制阶段的名称和描述4 4 表3 3 三种算法生成的曲线的光滑程度比较5 0 v 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 随着硬件性能的不断提升和价格的迅速下降，以个人数字助理( p d a ) 、 p o c k e t p c 和移动电话为代表的移动设备逐渐普及。与此同时，移动通信正在向以 c d m a 为基础、以宽带通信为特征的第三代技术发展【”，使得移动设备提供的通 信服务从以语音为主逐渐发展到以数据为主，对人们的工作和生活产生了重要的 影响。 近年来，从广度与深度上来说，基于移动设备和无线网络的各种应用需求日 益扩大，在无线网络上传输大规模图形图像数据以及在小屏幕移动设备上显示高 质量的图形效果的需求日益迫切。移动设备图形技术已经成为计算机图形学中一 个新的、重要的研究方向，尤其是在移动平台上展示应用效果的图形绘制技术。 本章首先介绍移动设备图形的研究特点；然后总结了移动设备图形研究的关 键技术和研究现状；接着针对图形绘制技术，讨论了移动设备图形绘制框架、矢 量图形绘制和面向移动设备的真实感纹理合成等问题；最后概括了本文的主要工 作和内容安排。 1 1 移动设备图形的研究特点 计算机图形学是近3 0 年来发展迅速、应用广泛的新兴学科，是计算机科学 最活跃的领域之一。如何在计算机中表示图形，以及利用计算机进行图形的计算、 处理和显示的相关原理与算法，构成了计算机图形学主要的研究内容【2 j 。从九十 年代中期以来，计算机图形学的研究内容不断丰富和发展，形成了一系列新的研 究方向，如网络图形学、虚拟现实技术、隐式曲面与空间变形、基于图象的建模 和绘制、自然人机交互、虚拟人动画、3 d 游戏等1 3 4 1 计算机从1 9 4 6 年诞生以来，在摩尔定律的推动下经历了一个快速的发展过 程。首先是p c 代替了大型机，上个世纪9 0 年代，一台几百美元的p c 在性能上 已经比8 0 年代一台价值8 0 0 万美元的c l a yx - m p 超级计算机还要高出1 0 到2 0 倍【5 1 。接着出现了膝上型电脑，它比p c 更方便地工作，但它的缺点之一是依赖 电池供电。随着体积的缩小，以p d a 、p o c k e t p c 和移动电话为代表的移动设备既 具有膝上型电脑的便携特性，又提供原来只有p c 才能提供的数据服务，移动设 备已经比l o 年前的p c 更加高级。图1 - 1 表示了计算平台的发展过程”】，在保证 性能的前提下，计算设备更加顺应用户对经济性、便利性、可靠性等需求，具备 了现代计算机迅速普及需要的五个基本条件1 7 j 。 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 1 9 1 9 7 01 9 i 铡日舢叶i 图l - i 计算平台的发展过程 根据计算机图形学实现平台的不同，在移动应用需求的推动下，研究人员对 移动设备图形技术进行了研究与开发【s ，0 1 0 概括地说，移动设备图形研究的目的是 在移动无线网络环境中，提高以移动电话和p o c k e t p c 为代表的移动数据终端上的 图形图像的绘制效果和性甜1 0 1 。作为- - f 崭新的技术，移动设备图形研究是随着 无线网络的成熟和移动设备的普及而逐渐发展起来的，目前尚处于起步阶段。 移动设备图形具有以下特点，在研究过程中必须充分考虑这些因素并设计相 应的策略。 ( 1 ) 嵌入式体系结构 设备的体系结构决定了该设备所具有的功能和性能等特征。从嵌入式设备衍 生出来的移动设备具有与p c 不同的体系结构，如图l - 2 所示【l l 】。移动设备的体 系结构包括一个主存储单元、个中央处理器c p u 和一个图形处理器单元g p u ， g p u 和c p u 集成在同一个芯片上。 移动设备体系结构的主要问题是： 1 ) 有限的内存带宽，处理器与存储器之间的数据交换非常耗时和耗电； 2 ) 处理器单元一般不包括浮点处理单元f p u 。 与p c 体系结构相比，移动设备体系结构也有一定的优点： 1 ) 由于只使用较低的图形分辨率，数据交换的需求比较低； 2 ) 由于只有一个主存储单元，所以处理器可以直接访问用于绘制的帧缓存 和深度缓存。 现在专门针对移动设备的体系结构纷纷出现，其中以a r m 最为典型1 2 】，基 于a r m 体系结构的移动设备已经占据了绝大部分市场份额。 2 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 i i i l i l l b u s ( 遥信) j ( a ) 移动设备 ( b ) p c 图1 2 移动设备与p c 体系结构比较 ( 2 ) 资源受限 移动设备的资源配置包括硬件( 处理器、显示器、存储器、电池等) 和系统 软件( 操作系统) ，以及把不同移动设备联系在一起的无线网络环境。近年来， 移动设备的资源配置逐渐得到改善。 1 ) 处理器c p u 。c p u 频率的高低直接决定着移动设备的性能。在1 0 年左 右的时间内，典型的a r m 处理器从最初只有1 0 + m h z 的a r m 7 ( 1 9 9 3 年) ，发 展到1 0 0 2 0 0 m h z 的a r m9 ( 1 9 9 7 年) ，现在4 0 0 6 0 0 m h z 的a r m l l ( 2 0 0 2 年) 已经是比较普遍的配置了【1 3 1 。最新的进展是a r m 针对移动电话和其他手持设备， 在2 0 0 6 年推出了消耗低于3 0 0 r o w 的新型处理器c o r t e x - a 8 ，该产品集成了1 3 根 流水线，时钟频率达到6 0 0 m i g h z 。虽然与当前p c 的c p u 配置( 2 o 2 4 g 瑚z ) 相比还有一定的差距，但是这种配置的移动设备已经能够处理一些比较复杂的任 务，如动画、视频和复杂的几何应用了。 2 ) 显示器。显示器包括色彩和屏幕大小两个属性。现在移动设备显示器的 每个颜色通道是4 8 位，每个像素具有1 2 3 2 位的色彩深度，已经能够满足用户 的视觉需求。屏幕的分辨率对绘制对象的显示精度影响很大。n o k i as e r i e s6 0 的 分辨率是1 7 6 2 0 8 ：在日本q v g a ( 3 2 0 * 2 4 0 ) 是显示的标准配置；n o k i a s e r i e s 9 0 已 经达到了6 4 0 * 3 2 0 ，预期不久的将来显示器将更新到v ( 遣( 6 4 0 * 4 8 0 ) 。 3 ) 存储器。随着工艺技术的演进，目前主导市场的三种存储器技术- - d r a m 、 e 2 p r o m 闪存和s r a m 都已经接近它们的基本物理极限，尝试对技术进一步升 级往往事倍功半，于是业界正在加紧研究开发新型的存储器技术。新技术包括 f r a m 、m r a m 和p r a m 等，它们是与c m o s 兼容的嵌入式存储器设计。通过 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 这些新技术的研发，新的存储器可以实现l o 年以上的数据保持能力、纳秒级的 读写速度以及l o ”次的读写寿命周期。现在嵌入式系统的硬件通常采用整合式芯 片设计，即将c p u 、r o m 、r a m 、i o 等做在一个芯片上。受芯片面积的影响， 移动设备的存储容量不会太大，一般在1 2 8 5 1 2 m 范围之内，远远低于p c 。 4 ) 电源。虽然大多数移动设备保留了外接直流电源的接口，但内置的电池 仍然是它的主要工作能源。电池的供电能力和使用寿命都非常有限，这导致了电 源成为移动设备主要的瓶颈之一。虽然电池技术的进步没有遵从摩尔定律，每年 大约只提高1 0 ，但g e n ef r a n t z 定律表明：集成电路的功耗呈指数下降，会使 电池的持续时问延长【l ”。 5 ) 操作系统。从体系结构上看，移动设备由嵌入式c p u 、支撑硬件( 主要 包括存储器、通信部件、显示部件和i o 接口) 和嵌入式软件组成，软件中最重 要的当推操作系统。移动设备上的嵌入式操作系统主要包括w i n d o w sc e 、p a l m 、 嵌入l i n u x 和s y m b i a n 等。与其他嵌入式操作系统相比，w i n d o w sc e 被认为是 高端嵌入式设备上最好的操作系统之一【1 4 1 。w i n d o w sc e 面向只有有限资源的硬 件系统，它提供了一个操作系统所能提供的最大柔性，并具有紧凑、高效和可伸 缩的特性。 6 ) 移动网络。无线局域网1 1 5 1 是利用无线技术实现快速接入以太网的技术。 作为2 0 0 4 年最大的热点，它已经被越来越多的用户使用，并随着i n t e i “迅驰” 芯片的发布进一步走近用户。无线局域网所使用的协议主要包括8 0 2 1 l b ( 即 w i - f i ) 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l g 以及w e p 安全协议i l “。但无线局域网传输距离受限， 数据速率低。i e e e 8 0 2 1 1 标准的数据速率只能达到2 m b i t s ，这个速度不能满足 人们的视频传输要求。现在发展得如火如荼的3 g 网络【 】主要有三大技术体制， 即w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d c d m a 技术。前两种技术体制由于提出较早， 并且得到欧美多家著名电信设备厂商、研究机构以及运营商的支持，所以无论在 标准还是技术成熟度方面都走得比较靠前，已经在全球范围内展开了大规模的商 用。t d - s c d m a 是我国提出的拥有自主知识产权的3 g 标准，虽然提出得较晚， 目前还在试验和试运行阶段，但是在技术实现上有了很多创新，具有很大的后发 优势。w c d m a 标准中的h s d p a 速率基本在3 6 m b s 左右，而c d m a 2 0 0 01 x e v - d o 的下行数据速率高达2 4 m b s 。 与有线网络环境中的p c 相比，移动设备上图形技术研究所需的资源仍然相 当有限。表l 一1 总结了移动设备和p c 在软件、硬件配置上的主要差别，以及资 源限制对移动图形技术研究的影响。 4 表1 i 移动致备资源限制及影响 资源移动配置p c 配置影响 通用处理器a r m10 0 m h z 一6 0 0 m h z i n t e ll g h z 一3 g h z不能处理太复杂的任务 f p u一般没有有计算速度慢，效率低 存储器小( 儿m b ) ，社电很人( 数卣m b ) ，限制模型的规模和绘制 耗电的性能， 显示器q v g a ( 3 2 0 * 2 4 0 ) v g a ( s v g a ( 1 0 2 4 7 6 8 ) 平均像素视角人，要求更 6 4 0 * 4 8 0 )高绘制精度，交互空间小 图形加速 一般没有n v i d i ag e f o r c e 影响绘制的实时性，c p u a t ir a d e o n 负担重 电源电池外接直流电源不能长时间i 作 网络无线有线 带宽低，误码率高 幽形标准 o p e n g l e s d 3 d m o p e n g l d i r e c t x 标准化过程中，没有硬件 j s r l 8 4 0 p e n v gj a v a 3 d加速 ( 3 ) 应用领域广泛 移动设备便于携带的特性使得这种计算平台的应用领域比传统的p c 更加广 泛，移动设备f 成为普及计算的重要平台。目前很多传统计算平台上面的应用f 在不断地转移到移动设备上，而新出现的各种应用和服务也越来越多地在设计之 仞就考虑到移动平台的应用需求。移动设备图形应用包括3 d 菜单、3 d 游戏、动 画、文本图片3 d 消息、定位服务【i8 】和广告等，涉及娱乐、教育、汽车和通讯等 领域，满足人们特定的需求，如图1 3 所示。 3 1 ) m e n u 3 dm e s s a g i n g 图i 一3 移动设备上的典型应_ l j 浙江大学和新加坡南洋理工大学合作的m r i 系统是一个运行于3 g 网络和移 动终端的数字娱乐平台。项目的目标是根据用户输入的自身面部图片来构建一个 能够运行在3 g 网络和3 g 手机终端的虚拟化身，并使用这个虚拟化身为用户提供 盍一 圈i 甏 图 浙江j 各种增值服务。用户可以对自己的虚拟化身进行各和z 个性化的编辑，并用虚拟化 身代表自己与网络中的其他朋友进行r 叮视化的交流，圈1 4 表以j 了系统的客户制 界面和基本功能。该系统涉及到基于图像的建模、表情特征自动提取和真实感纹 理合成等技术。 _ 一焉= f 撼， 幽1 4m ri 系统释户端界面神i 功能不恿 商品虚拟展示足虚拟现实技术与电子商务的有机结合，能够模仿或替代客户 的购物体验。文献丌发了一个基于二维图像的布艺品虚拟展示和辅助设计系 统，具有展示效果逼真、适用场合广泛和操作灵活简便等特点，如图1 5 所示。 系统利用了基于表面区域划分的纹理映射方式、色彩融合算法和目标置换区域的 边界自动识别等技术。 l 1一 绪谨 增强现实( a u g m e n t e dr e a l i t y ，a r ) 是将计算机生成的虚拟信息叠加在真实的 场景上，并借助感知和显示设备，将虚实信息融为一体，最终呈现给观察者一个 真实的感观效果，具有广泛的应用前景。但现有的a r 系统一般比较笨重，限制 了用户的自由活动，而且a r 系统比较昂贵，一个较好的解决方案是在便携的移 动设备上实现真实场景与虚拟增强信息的融合。图1 6 表示了一个移动a r 游戏 “看不见的火车”( 1 n v i s i a b l et r a i n ) 【2 0 l ，用户控制虚拟的火车在一个缩微的木制 轨道上运行。移动a r 研究涉及到a r 的显示、注册和绘制等技术，以及针对移 动设备的特定设计。 正如游戏对p c 图形学的推动作用一样，移动游戏也推动着移动图形硬件和 软件的快速发展。移动游戏具有比p c 游戏更大的市场潜力，其开发模式与p c 游戏相比既有相似性，又具有新的特点【2 “。 图1 6 移动增5 虽现实拐芋戏 ( 4 ) 多种技术融合 移动平台包括移动设备终端和无线网络环境。移动设备图形技术的研究领域 涉及到多个学科，如嵌入式系统、计算机图形学、网络通讯和体系结构等。譬如 为了提高图形绘制的质量，就需要增加移动设备的处理和存储能力，这样在嵌入 式系统硬件设计时就需要增加芯片的面积：但移动设备的便携特性决定芯片的面 积不能太大，过大的面积会增加电源的消耗，所以最终绘制的质量必然综合考虑 了嵌入式系统设计和图形学算法等因素。又如，当移动应用需求超过终端设备的 资源配置时，就需要借助远程服务器强大的处理能力，通过无线网络传输数据来 解决 2 2 l ，这必然涉及到图形学、网络通讯和体系结构等研究领域。 浙江大学博上学位论文第l 章绪论 1 2 移动设备图形的关键技术和研究现状 下面首先介绍移动设备图形研究的关键技术，然后分层次介绍研究的现状。 1 2 1 移动设备图形研究的关键技术 因为p c 体积大、配置高和耗电多，所以在有线网络环境中、p c 平台上运行 三维图形理论和相关技术在移动设备上不再完全适用。p c 平台上的某些方法通 过改进变成一个可以用于移动设备的简化版本，虽然只具有较少的特征，但仍然 维持了核心功能。在移动设备图形技术研究领域，创造性的方法总是受欢迎的， 但是不必要求所有的方法都是崭新的，最关键的是把工作站p c 上的图形特征在 移动设备上实现并被广大终端用户所接受。所以移动设备图形技术研究既承袭p c 图形现有的研究方法和成果，又需要针对移动平台做出适当的调整和革新的设 计。p c 中高质量的图形效果，无形中提高了用户对移动设备图形质量的期望值。 根据图形处理过程中研究的侧重点不同。可以将移动图形的研究工作分成三 个层次：平台层、绘制层和网络层。 1 ) 平台层主要研究移动设备硬件和系统软件的设计与优化，包括处理器、 存储器、操作系统和各种通信协议等。 2 ) 绘制层主要研究适合于移动设备软硬件环境的具体绘制方法，包括光栅 化、流水线绘制、纹理映射与合成和基于硬件的加速等。 3 ) 网络层主要研究移动网络环境中图形的建模方法和如何显示满足用户需 求的高质量图形，包括网格曲面简化、渐进表示和网络传输方法等等。 这三个层次不是完全独立的，而是紧密联系在一起，如绘制层离不开平台层 的支持；网络层的图形应用最终需要在移动终端设备上进行绘制。 根据这三个层次，移动设备图形研究中涉及到的关键技术包括： 1 ) 软件硬件图形体系结构、流水线绘制方法和硬件加速算法； 2 ) 移动图形数据表示方法； 3 ) 资源受限的实时绘制技术和真实感绘制： 4 ) 无线网络中几何模型数据的压缩简化、快速无差错传输和网络传输协议； 5 ) 移动环境中的多通道人机交互。 1 2 2 移动设备图形的研究现状 移动图形的研究吸引了学校、研究所、移动设备厂家和相关组织的参与，研 究范围从基础图形学理论、图形标准到各种应用。参照上述移动图形研究的层次 浙江大学博上学位论文第1 章绪论 划分，本文从平台层、绘制层和网络层三个方面概述移动设备图形的研究现状。 (