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移动设备上的三维图形计算模型的研究摘要 论文题目：移动设备上的三维图形计算模型的研究 专业：计算机应用技术 硕士生：邓玺 指导教师：罗笑南教授 摘要 当前，随着3 g 通讯技术、移动通信设备的发展和应用，基于移动设备的三 维图形计算也有较大的需求，如手机上的三维游戏应用等。本文正是在目前还没 有丰富的研究和应用的背景下，并根据实际的广东省自然科学基金课题一数字 几何处理中三维数据表示与应用基础问题研究一的需要，进行一个探索性的研 究与应用。 本文的组织结构是在针对基于移动设备上三维图形计算的研究，主要需要解 决三维图形模型的渲染和三维数据传输控制这两个问题的基础之上。基于这两个 问题，文章重点研究了在构建模型的渲染技术和三维图形传输技术：首先通过对 一些移动三维图形库的研究，选择o p e n g le s 为本模型的渲染技术，并在现有 的资源上进行改进设计，建立了一个嵌入式系统中具有通用性的以0 p e n g le s 为底层的三维图形计算构架；其次，考虑到移动设备上无线传输的窄带宽、不稳 定、易丢失数据的特点，通过使用渐进网格传输方法能够有效地克服这些缺点， 并在渐进网格算法的构造中，设计出较快的网格生成算法，在传输设计中加入缓 冲池的技术，构造出了一个恰当的传输模型。最后，综合这两个理论问题的解决， 我们设计并实现了整个模型的系统，通过几个三维模型的示例，说明了系统达到 了较好的无线传输控制的目的，表明了本模型的可行性与合理性。本文中所采用 的算法设计思想和实现技术均具有通用性，适合广泛的嵌入式系统应用，如p d a 、 手机等无线移动终端以及嵌入式电器设备等。本模型中所构造的设计思想和方法 能够给本领域内的应用带来一定的参考价值。 关键词：移动设备、三维图形计算、0 p e n g l e s 、渐进网格、图形传输模型 移动设备上的三维图形计算模型的研究 a b s l 伯c c 硫l e ： r e s e a r c ho n3 df a p h i c sc o m p u t 吨m o d e lb a s e do n 肿b 丑cd e v i c e m a j o r ：c 0 i p u t e ra p p l 蛔i o na n dt c c h n o l o g y n 锄e ： x i ，d e n g s u p c n ，j s o r ：p r o f e s s o rx i a o n 蠲l n o a b s t r a c t n o w a d a y s ，a st h ea d v a n c e m e n t 王1 1 t h et h i r dg e n e r a t i o nc o 删u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n d m o b i l ed e v i c e ，t h e r ea f ei l l c r e a s i n ga p p l i c a t i o n sr e l a t e dt ot l l r e e - d i m e n s i o n a lg r a p h i c s c o m p u t i n gb a s e do nm o b i l ed e v i c e ，s u c ha s3 dg a m eo nc e l lp h o n e h o w e v e r f o r h a r d w a r el i m h si i lt h i sd o m a i l l ，t h e r ea r en op l e n t i f i l lr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o 璐，a n d l u l d e rt h c s u p p o no f t h er e s e a r c h p r o j e c t s t u d y o ft 王l r e e d 沛e n s i o n a ld a t a r e p r e s e n t a t i o na r l da p p l i c a t i o ni nd i g 赴a lg e o m e t r yp r o c e s s ，t h i s 瑚s t e rd i s s e n a t i o n t r i e st oe x p l o r ei ti ns o m ea s p e c t s t h i sp a p e r sa r c 磕e c t u r ei ss t 兀l d u r e do nt h ef d c tt h a ti tm u s tr e s o l 、喝t w op r o b l e m s o nm o b i l ed e v i c e ：h o wt or e n d e r3 dg r a p h i c s 脚d e la n dh o wt ot r a n s f e rt h e3 d g r 叩h i cd a t a 丘o mc o m p u t e rt om o b i l ed e v i c ea n dc o m r o lt h i sp r o c e s s i nt h i sa n i c l e w ea d o p io p e n g le sa so u rr e n d e r i n gt e c h i c a li nt h i sm o d e la f i e ri n v e s t 谵a t i i l g s e v e r a lr e n d e r i i l gt e c h n i c a lh e f e ，o p e n g le sa so u rl o w l e v e lr e n d e r i n ge n g i n e ，w e b u i l dag e n c r a l t l l r e e - d 油e n s i o n a ig r a p h i cc o m p u t i n g 疗a m eb a s e do nt h ca v a i l a b l c r e s o u r c e a tt h es a m et i m e ，f o rt h es h o r t c o m i i l g so fw i r e l e s st r a n s f e r ：n a r r o w b a n d w i d t l l ， i n s t a b i l i t y ，e a s i l yl o s i n gd a t a ， nn e e d sc o n s t f i l c t柚 a p p m p r i a t e t r a n s m i s s i o nm o d e li nt h i st h c s i s ，w es i m p l i f ya n di m p r o v et h ei m p l e m e m a t i o no f p r o 孕e s s i v em e s ha i l d a d db u 仃e rt oa c h i e v es y n c h r o n i z e dt r 强s f c i r i i l gb e t w e e n c o m p u t e fa n dm o b i l et e 肌血a 1 a th s t ，w ed e s 追na n di m p l e m e m t h i s s y s t e m f u r t h e r m o r e ，s o i ee x p e r j m e m sa p p r o v et h a to u rt n o d e l sf e a s i b i l i t ya n dr c a s o n a b i l i ty t h ea 培o r i t h m d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nt e c h n i c a la d o p t e di i l t h i st h e s i sh a v e g e n e r a l i i y ，a n d 矗tf o re 】【t e n s i v ee m b c d d e ds y s t e ma p p l i c a t i o n ，s u c ha sm o b i l et e r m i n a l a n dh o m ee l e c t m n i ce q u j p m e n tw 礼he m b e d d e do p e r a t 如gs y s t e m w 毫e x p e c tf h ei d e a 诅t h i sm o d e lw i l lb r i i 培t ot h i sd o 瑚j | 1s o m er e f e r e n c ev a l u e k e y w o r d s ：m o b i l ed e v i ，t 1 1 r e e d i m e n s i o n a lg r a p h i c sc o m p u t i l l g ，0 p e n g le s ， p r o g r e s s i v e 圮s h ，g r a p h i c st r a n s m 西s i o ni n o d e l 移动设备上的三维图形计算模型的研究第1 章综述 1 1 引言 第1 章综述 自从2 0 世纪6 0 年代计算机图形学的确立以来，随着计算机系统、图形输 入、图形输出设备的飞速发展，计算机图形学无论是在理论还是在应用上，都 得到了极大的关注。至今已在电子、机械、航空航天、建筑、造船、轻纺、影 视以及新兴的游戏业等的产品设计、工程设计、广告影视游戏制作中得到了广 泛的应用，取得了明显的经济和社会效益。 随着计算机系统及其相关硬件的发展，计算机图形软件及其生成、控制图 形的算法也有了很大的发展。到目前为止，出现了多种计算机图形软件系统， 如其中的佼佼者o p e n g l ，d i r e c t x 等。所涉及到的算法是非常丰富的，包括场 景的计算机数字化表示、存储，特别是三维形体的实时绘制渲染及其效果处理， 图形设备上的显示技术等。 在模型表示存储方面，尽管自由曲面广泛地应用于c a d 和计算机动画系统 中，但是多边形模型，尤其是三角形网格，由于其具有简单性和灵活性而被大 量地图形硬、软件普遍支持。所以，本文中的三维模型也基于三角形网格为基 础进行研究。 并且随着互联网的崛起，计算机图形学与其结合应用。使得他们在发展上 相互促进。如在分布式虚拟环境系统中，每台计算机可以先装载所有几何数据 信息( 各个主机之间是对等的) ，也可以由某台主机响应其它计算机要求传输几 何数据( 各主机之间可能是客户机、服务器的关系) 。由于几何模型数据量大， 需要采用压缩技术对其进行压缩。但目前单分辨率几何模型数据压缩技术，如 d e e r i n g 算法【2 1 g u m h o l d 等人的三角网格连接关系实时压缩算法【删，r o s s 远n a c 的e d g c b r e a l 【e r 算法9 ，3 8 ，删等，满足不了实时交互的需要。而多分辨率模型数 据压缩技术可以实现渐进传输，能够部分地缓解低带宽与大数据集实时传输之 间的矛盾，是很有发展前途的压缩技术。目前为止，这类算法中效果较好的如： 针对任意网格，h o p p e 【1 】提出了表面几何的渐进网格p m ( p m 乒e s s i v em e s h ) 表 第1 章综述 移动设备上的三维图形计算模型的研究 示，通过优化能量函数来简化网格，这种分层表示可以用于网格表面的多分辨 率编辑、渐进传输；gt a u b 洫等1 9 9 8 年提出的森林渐进分裂压缩( p r o 掣e s s i v e f o r e s ts p h tc o m p r e s s i o n ，p f s ) 的算法f 1 8 j ；又如c 0 h e n o r 等人提出的种任 意三角网格的渐进压缩算法【2 0 1 。 移动设备由于其易携带性及其信息处理能力，得到最为广泛的应用。它除 了其固有的通讯能力，也具备有相当强的图形处理能力。因此，人们正尝试在 诸如像手机、p d a 等移动设备上进行图像图形方面的应用。现在，移动设备上 的图形计算大部分还是在二维平面上进行，三维图形计算研究还相对较少，而 目前这方面又有较大的需求，如手机上的三维游戏、虚拟现实等。与此同时， 移动设备上的三维计算研究却没有得到较多的支持，一来是这个领域比较新颖， 二来是硬件条件不够充足。需要既考虑目前的硬件资源的限制，又要考虑如何 使现有计算机上的三维计算技术改进到移动设备上，这给我们带来了启示，建 立一个具有通用性思路的基于移动设备上的三维图形计算模型。 1 2 本文研究的内容及结构安排 鉴于上节中提到的应用与技术背景，本文将主要研究如下几个方面： 对于目前的移动终端来说，其有限的三维计算能力是一个瓶颈。虽然目前 的移动设备硬件发展已经是相当的迅速，运算能力能达到上个世纪末的个人计 算机能力，但是需要满足我们课题研究的三维计算还是差距较远，因此怎样利 用底层系统提供的功能，达到进行纯软件计算的封装，使用及改造目前提供的 三维计算技术，是本文的一个目标之一。 采用何种传输技术进行三维模型数据的传输，这一部分是整个课题的理论 基础，也是本文的一个研究重点。只有采用适当的三维模型的传输技术，才能 很好的适应当前无线传输网络的特点，也才能适合当前移动终端的计算能力。 另外，针对无线网络的不稳定性，给我们的传输带来了一定的挑战，故也需要 考虑怎样进行控制。 在解决上面几个问题之后，我们还需要从整体出发，进行个基于移动设 一一 移动设备上的三维图形计算模型的研究第1 章综述 备的三维图形计算的框架模型的设计，希望能够找到一个普遍的应用模式，在 同一领域内提供一些具有参考价值的思想。 本文在内容上的安排，遵从如下思路： 第1 章，综述。第3 节，将回顾计算机上的三维图形学的理论和应用现状： 在第4 节中将介绍移动设各的硬件基础、发展趋势。 第2 章，移动设备上的三维图形计算标准与图形库设计。将着重从基于移 动设备的纯软件的三维计算能力出发，分析一些当前的三维渲染绘制技术，并 着重介绍本模型采用的o p e n g le s 标准。 第3 章，渐进传输技术的算法设计。介绍本模型中使用的三维数据传输技 术渐进网格的思想，在此基础之上，根据其思想，进行适合移动设备上计 算的算法简化、裁减。 第4 章，移动设备上的三维图形计算模型系统设计与实现。根据第2 、3 章 研究的理论，设计我们的模型及其构架，并给出我们的传输控制策略，最后给 出实现设计中的一些细节、实验及结果分析。 最后第5 章，总结与展望。总结了本文的工作成果，进一步阐述课题中的 理论与实际的不足，在下一步工作中需要改进的地方。 1 3 计算机上的三维图形学 1 3 1 三维图形模型的表示 从三维光栅图形学发展的早期阶段开始，人们就使用多边形表示的几何模 型。一个典型的多边形模型通常表示为顶点、边、面的链表，例如大家熟知的 翼边结构( w i l l g e de d g cs t n j c t i l r e ) ，这主要是为编辑显示而设计的。在一些三 维数据格式中，如w a v e 劬mo b j ，我们可以看到这种多边形表示的影子，而 且为了可读性它们通常采用文本存储方式。另外，多边形表示一般都支持任意 的n 边多边形。早期的绘制硬件还接受这种n 边多边形，但是出于速度考虑， 第l 章综述移动设备上的三维图形计算模型的研究 几乎今天所有的绘制硬件都要求这些多边形在提交之前必须分解为三角形。即 使有些绘制硬件能够接受四边形，那也是隐含着这些四边形在绘制之前可以由 系统任意地分解为两个三角形。 计算机图形学研究主要集中在对多边形网格模型，尤其是在三角形的网格 模型上。所谓的多边形网格就是一个标有一些属性的多边形的集合。在一个典 型的由多边形网格表示的三维几何模型中，这些属性包括位置坐标、颜色、法 线向量以及纹理坐标等。作为种原始的数据格式，多边形网格可以用几张表 格来描述，其中的每一张表格对应着上面的一种属性。个多边形网格模型所 表达的信息通常分为两部分内容：第一部分叫做拓扑信息，用于描述多边形网 格中各顶点和面片之间的相互连接关系；第二部分叫做几何信息，用于描述多 边形网格的位置坐标、以及附着在网格上的其它信息，包括颜色、法线向量以 及纹理坐标等。这些拓扑信息可以用一个图( g r a p h ) 来表示，所以图论中的一 些结果可以用来对多边形网格模型的拓扑信息进行编码。这些几何信息一般都 以单精度的浮点数形式存放。因此一个三角形有时候可能要占用上百个字节 ( b y t e ) 的空间，从而导致一个三维网格模型的信息量达到几兆或者更多，这 对于我们的移动三维计算来说很不现实，我们必须对的三维图形数据进行压缩 和传输方式上进行改进【2 3 l 。 在本文中，出于研究的目的，在此也采用使用最为广泛的三角形网格模型， 而且，为了简化实现而又体现了研究思想，我们将不考虑到颜色、纹理等属性， 仅仅使用模型的拓扑信息及描述网格的位置坐标的几何信息。 另外，将三维模型进行数据存储时，通常是文本形式。根据不同的计算需 要，又细分出不同的文件格式，比较常用有：w a v e 丘o mo b j ，3 ds t u d i 0m a x 的3 d s ，p l = y ，v r m l ，o o g l ，w id 等文件格式。从系统的扩张性来讲，采 用较为通用的文件格式也是我们所需要考虑的。 1 3 2 三维图形数据的几何压缩 几何压缩在计算机图形学应用范围日益扩大，作用日益增加的同时，人们 4 移动设备上的三维图形计算模型的研究 第1 章综述 对计算机图形合成质量也在不断地提出新的要求。但是要合成高质量的画面， 往往需要有足够精细的几何模型。因此在计算机图形学的许多应用中使用的三 维几何数据的数量和复杂程度不断地急剧增长着。新的造型工具和模型重建技 术的出现也促成了这一发展趋势。如何实时有效地处理这些日益增多和日渐复 杂的三维几何数据成为计算机图形学发展中的一个巨大挑战。再者，随着网络 图形学的发展，越来越多地需要通过网络，特别是国际互联网，来存取那些贮 放在异地的三维几何数据。这些日益增多和日渐复杂的三维几何数据也使得本 已十分有限的网络带宽带变得更加的紧张。 总之，计算机图形学应用的特点之一是广泛地使用三维几何数据。而且随 着计算机图形学及其相关理论和技术的快速发展，这些在数量规模和复杂程度 还在日益增长，三维几何数据在不断满足需求的同时，也给我们带来了许多问 题和巨大挑战，概括的讲包括以下三个方面的内容f 冽： ( 1 ) 图形适配器因为没有足够的内存完全装载巨大的模型，或者受限于 数据传输瓶颈而不充分地能够发挥其图形处理的性能。 ( 2 ) 在三维c a d 系统中的模型变得越来越复杂，大大地增加了处理这些 模型的所需的内存代价和辅助外存的代价。 ( 3 ) 如今的许多应用，如网络游戏、快速成型等，都需要发布传输三维 的几何模型。但是现有的网络带宽严重限制和阻碍了这些发布传输。 为了解决上述的这些问题，我们可以通过升级和提高图形处理的性能，增 加网络带宽等硬件方面的办法来解决。但是仅仅这样是不够的，还需要软件算 法方面措施，如【2 3 】： ( 1 ) 在下载和绘制几何模型的时候，选择性的处理那些潜在可见的部分。 ( 2 ) 在适当的时候使用图像代替复杂的几何模型。 ( 3 ) 对远距离处的物体使用多分辨率的、简化的几何模型，当几何物体 慢慢的走进的时候，渐进式的细化地分辨率的几何细节。 ( 4 ) 使用几何压缩方法，设计几何模型的紧致表示，减少它的存储空间 一5 一 第l 章综述移动设备上的三维图形计算模型的研究 和传输时间，使得它适合于利用硬件进行快速绘制。 几何压缩是计算机图形学中一个新兴的研究方向。最早的关于几何压缩方 面的工作可以追溯到1 9 9 5 年m ，d e e 血g 发表的题为：g e o m e l r yc o m p r e s s i o n 【2 】 的研究论文。m d e e r i n g 几何压缩方法的目的是压缩几何数据，减少c p u 和图 形卡之间的数据传输，从而加快图形处理的速度。在该方法中引入了一个网格 缓存器，用来存储1 6 个曾经使用过的旧顶点，然后通过重用网格缓存中的旧顶 点来减少需要传输的顶点数据，同时对需要的传送的顶点几何数据进行量化和 增量编码进行压缩。在此之后人们开始关注几何压缩问题，并且做了大量的杰 出工作。这些方法的目的也从加速绘制扩展到减少存储，方便网络传输等方面。 在本小节中对它们做一个简要总结。 m d e e 咖g 在他的几何压缩方法中扩展了广义三角形带，提出了一种新的 三角形结构；广义三角形网，以达到压缩几何数据，减少c p u 和图形卡之间的 数据传输的目的。如前所述，在表示一个多边形网格模型的时候，除了要记录 它的顶点坐标，法向等几何数据之外，还要记录顶点和面之间的连接结构，即 网格模型的拓扑信息。例如在w a v e 舾n lo b j 文件格式中，对于每一个顶点， 按照它在文件中的出现顺序隐式地赋予一个整数的下标；对于每一个面，都用 一些整数下标指明构成该面的所有顶点。由此可见，拓扑信息方面的数据在整 个几何模型中占据相当大的一部分，因此几何压缩的另一个重要的任务是对网 格模型中的拓扑信息进行有效地编码。 近年来，国内外的研究人员提出了许多编码三角网格拓扑信息的算法 【7 ，也，2 瑙j 0 3 把州，4 5 1 。这些算法的基本框架是类似的，其中大部分方法都要动态 地维护一个由顶点组成的循环链表，在编码过程中每次删去一个与当前活化边 相邻的尚未编码的三角形，同时根据该三角形与循环链表之间的拓扑关系产生 一个操作码，并相应地更新循环链表，在整个编码过程中，实质上进行了一次 三角网格的遍历。解码过程根据编码过程产生的操作码，按照与编码过程完全 相同的方式遍历网格，每次恢复一个三角形，最终重建出原始网格。不同的算 法进行的遍历方式有所不同，e d g e b r e a l ( e r 算法【1 1 ，3 8 ，加1 对三角网格进行深度优 先方式的遍历，而在g u m l l o l d 【删等提出的算法中进行的则是广度优先方式的遍 一6 一 移动设备上的三维图形计算模型的研究第1 章综述 历。此外，各个算法中区分出的当前编码三角形与循环链表之间拓扑关系的不 同情况也不完全一致。i t a i 【3 2 】等提出4 种情形，在e d g e b r e a k c r 算法中将这4 种 情形分别记为l ，r ，s ，c ，此外补充了新的情形e 。而在g u m h o l d1 4 4 1 等的方 法中则增加了当前编码三角形到达网格边界的情形。与此同时，g a b r i e it a u b i n 和j a r e kr o s s i 譬n a c 【4 5 j 的基于拓扑手术的几何数据压缩算法也是一种针对单分辨 率模型的压缩算法。该算法提出了顶点生成树和三角形生成树的概念，从构造 顶点生成树出发，沿顶点树切割得到三角形树，对树的编码即得到连接关系。 该算法对顶点坐标的压缩比d e e 血g 的邻近顶点差值压缩编码更进一步。 上面介绍的都是单分辨率模型的几何数据压缩，即是指对物体的一种层次 细节的多边形网格表示形式的几何数据进行压缩。 由于互联网的发展，人们通过网络对共享信息的需求变得更为迫切，因此， 通过有限带宽网络实现大规模网格的传输变得越来越重要了。单分辨率的几何 压缩方式不能满足网格传输的要求，因为用户在网格数据传送完毕之前，不能 看到网格的任何信息。理想的方法是，采用由基网格渐进地更新恢复出原始网 格的传送方式，即先将基网格传送到远程客户端，然后不断传送细化信息，使基 网格不断得到精化，逼近原始网格。即使网络中断，客户端也能获得原始网格 的一个简化版本。因此，首选的压缩和传输网格模型是采用多分辨率来表示模 式。有两种多分辨率表示模式。一种模式是基于细分连续性的，其多分辨率网 格通过基网格不断细分得到。在该模式中，顶点连接性及位置的编码直观、简单、 有效。另一种模式是基于连续简化，如h o p p e 的渐进网格( p r o g r e 辅i v em e s h ，简 称p n 】，p m 表达适合任意网格的渐进传输，其网格表达为基网格与一系列 的顶点分裂操作。p m 模式可以达到平均一个顶点( 1 0 9 2 n + 3 5 ) 比特的紧凑表示。 t a u b i n 的渐进森林分裂( p r o 伊e 豁i v cf o r c s ts p l i t ，简称p f s ) 模式【1 8 l 给出了一种更 为复杂的分裂操作，称为森林分裂，以构造网格的多分辨率表示。森林分裂操 作是分裂网格的森林边( 如r e s te d g e ) ，可视为推广的p m 边分裂操作。森林分裂 会产生许多多边形洞，将它们三角化并进行编码。p f s 方法可以得到平均每个 网格顶点占4 0 巧o 比特的压缩率。b 4 两【3 1 】提出另一种渐进压缩模式，他将原 始网格分解为一系列的层边界轮廓，多分辨率表达为建立简化和重构轮廓的编 1 第1 章综述移动设备上的三维图形计算模型的研究 码。尽管这种模式能够得到与p s f 模式相似的压缩结果，但基网格的质量往往 较差，并且中间层次的网格也不能较好地逼近初始网格。 本模型中采用的是基于p m 的渐进几何压缩模式。在第3 章中将给出关于 p m 理论的介绍，同时根据移动设备的特点，对p m 表达的高效渐进传输进行 简化设计与控制处理。 1 3 3 三维图形的渲染 计算机图形处理核心部分流程如下图1 1 所示。从中可以看到，绘制渲染 将最终的结果展现出来，它是计算机图形学中不可或缺的个重要组成部分。 而且这部分技术是和计算机硬件、操作系统底层最为密切相关的，因此，人们 实现了很多与底层相关的三维图形渲染程序库，使用者不必了解到计算机的图 形现实相关硬件原理、操作系统相关接口。 图1 1 三维计算机图形处理的核心部分流程图1 2 3 1 这方面的技术中较优秀的包括s g i 公司的o p e n g l ，微软公司的d 打e c t x ， j a v a 平台上的j s i t 3 d 等：j s r 3 d 的运行平台是j a ，d j r e c t x 基本上是在微软 的w m d o w s 操作系统中使用，最为广泛的应用o p e n g l 技术，它也是当前工业 领域内的标准。关于它们详细阐述在第2 章中。 一8 一 移动设各上的三维图形计算模型的研究第1 章综述 1 4 移动设备的发展 1 4 1 硬件特点 移动设备( i i l o b i l ed e v i c e ) 是当前应用最广泛的信息处理设备之一，这类 设备一般都具有独立的，可移动的数字运算、数据存储、多媒体播放、无线通 讯等信息处理能力，同时，可以通过接入无线网络与其他设备或者服务终端进 行数据交换。这类设备是继p c 之后，又一广泛普及的民用数据处理终端。其主 要原因是这类设备满足了人们对移动通信，互动互联，移动计算的需求，故其 在当前数码消费市场上占有很大的份额，同时市场需求也是多样并不断增长变 化着的。这类设备目前主要包括：移动电话( m o b i l ep h o n e ) ，p d a ( p e r s o n a l d i g i t a la s s i s t a n t ) ，h p c ( h a n d h e l dp r op c ) ，p o c k e tp c ，p a l m s i z ep c ， 智能手机( s 【f i a r tp h o n e ) 等其他m i d ( 移动信息处理设备) 。移动设备虽然种 类繁多，但也有着共同的硬件特点： ( 1 )移动设备的处理器c p u c p u 是一个信息处理设备的心脏，主要负责系统数据的运算，对于移动设 备来说，自然也不例外。由于移动设备经常处理的数据有小量，分散、简单的 特征，因此移动设备的c p u 与p c ，与其他专业设备( p r o f e s s i o n a ld e v i c e ) 比起来，也有频率低的特点。早期的移动设备只具有1 0 m h z 级别的运算能力， 但是随着市场需求的增长和移动处理器的发展，目前移动设备的主流处理速度 在5 0 胁z 至5 0 0 m h z 之间，例如移动电话5 0 m h z 至1 0 0 m h z ，p d a 4 0 0 删z 的产品已 经大量上市，然而，这仍然没有满足人们使用上的需求。 图1 2 移动设备处理器速度分布图( 引自 3 4 ) 从简单的通话，s m s ( 短消息) 功能，到复杂的游戏，拍照摄像，多媒体编 辑播放，删s 功能的拓展，c p u 处理速度的提升是必须的。移动设备一般情况下 一9 一 第1 章综述移动设备上的三维图形计算模型的研究 是集成度比较高的，且并不支持硬件升级。不同设备的硬件之间除了连接接口 外，并不过分要求兼容性。 同时，考虑到移动设备的电量供应的有限性，c p u 的能耗问题也是设计者 不得不考虑的关键。c p u 应该具有适应移动设备数据处理特点的能耗系统，应 尽量降低电量的消耗，提升能量的利用率。此外，移动c p u 还要考虑微型化以 及散热问题等等。总之，移动设备的c p u 对速度的要求是低的，相反，对能耗、 散热的要求是高的。通过比较可以看到，移动设备的c p u 处理速度上差别很大， 这就要求在其上工作的图形图像处理技术要有很强的软件一硬件兼容性( 不同 设备在处理同样的图形图像时，差别应尽可能的只体现在处理速度上，从而降 低移植难度) ，才能有效利用移动设备上有限的硬件资源完成图形图像的处理。 ( 2 )移动设备的存储( m e m o r y ) 数据的处理是以数据的存储为基础的，有效的数据读写是保证数据处理的 前提。移动设备由于其自身的功能特点，其对存储系统的要求也有别于台式电 脑。存储器的容量相对而言是小型的，从百k 到百m 不等，这种差异是不同种 类的移动设备的功能定位决定的，自然这些存储器也有r a m ，r o m 之分。其存储 空间大部分用于操作系统，嵌入式程序，通信数据的存储等方面。现在越来越 多的设备预留了相当的用户空间，供用户下载数据，升级程序使用，当然这是 与移动设备数据交换的互联互通的趋势分不开的，譬如说k j a v a ，c d m a ，3 g 等 技术的广泛普及。大容量的存储器，不仅能有效提高设备的数据存储处理能力， 也为移动设备应用上的拓展提供了广阔的空间。此外，存储器的带宽，是影响 设备数据处理速度的关键因素，不同m i d 的存储带宽也是有差别的，1 6 位或者 3 2 位是主流。不同设备的传输速率之间的差别就更大，这是不同硬件设备供应 商决定的。目前也有个别高端设备使用了c f 卡、脚c 卡、s d 卡来极大的拓展设 备的存储能力，这类设备也因此有了较强的多媒体处理播放功能和与其他采用 c f ，删c 和s d 存储介质的设备交换数据的能力，特别是新发布脚c 2 o 标准有 效的改善了删c 卡与系统数据交换的速度。 可以看到，移动图形图像处理a p i ( 应用程序接口) 所面对的移动设备的 数据处理和存储能力是千差万别的，这就要求移动设备上的图形图像处理技术 一1 0 移动设备上的三维图形计算模型的研究 第1 章综述 要有较强的系统兼容性，并尽可能减少对于大量数据的依赖，从而降低硬件设 备成本。 ( 3 )移动设备的图形处理器g p u 在个人电脑系统发展史中，g p u ( g r a p h i cp r o c e s s i n gu n i t ) 出现的时间 并不能算长。作为独立的数据处理芯片，g p u 负责图形图像的运算，特别是大 规模的3 d 图形图像的运算。这极大的改善了电脑系统的图形图像处理能力。移 动设备中的g p u 从c p u 中独立出来也是这个目的将三维图像和特效处理功 能集中在显示芯片内，提供所谓的“硬件加速”功能。g p u 在很大程度上使移 动设备图形图像的处理减少了对c p u 的依赖。g p u 所采用的核心技术有硬件t 1 、 立方环境材质贴图和顶点混合、纹理压缩和凹凸映射贴图、多重纹理等。 当然目前具备g p u 的移动设备并不多，但是g p u 在移动领域内的普及是必 然趋势。两大g p u 生产厂商都把移动g p u 的丌发写入了日程。目前已知n v i d i a 推出了g o f o r c e4 0 0 0 3 0 0 0 媒体处理器，前者提供3 0 0 万像素数字相机、8 倍 数位变焦、视讯会议、j p e g 编译码、m p e g 4 h 2 6 3 编码及播放等功能，后者 则提供2 0 0 万像素、8 倍数位变焦、j p e g 编译码、m p e g 一4 h 2 6 3 播放等功能， 以提升新一代多媒体照相手机的整体战力。此外在3 d 部份，n v i d i a 则是推出 代号为a r l o 的3 d 绘图处理器，以主打p d a 或手机等移动通讯市场。 表1 - 1n d n 多媒体处理器规格比较表( 来源：n d n d i g m i n e sl a b ，2 0 0 4 ) g o f o r c eg o f b r c e g o f b r c eg o f o r c e 特性 4 0 0 03 0 0 02 1 5 02 1 0 0 内置存储器6 4 0 k3 2 0 k 1 6 0 k1 6 0 k 支持相机等级( 万像素) 3 0 02 0 01 3 03 0 8 数位变焦 是是 视频会议是 m p e g 4 压缩是 m p e g - 4 解压是是 j p e g 压缩是 是是是 j p e g 解压是是 支持s d s d l o 介顽 是是 支持最大分辨率 6 4 0 4 8 04 8 0 3 2 03 2 0 2 4 03 2 0 2 4 0 再看a t i 方面，a t i 先前就陆续推出了i m a g e o n1 0 0 、3 2 0 0 、2 2 0 0 等多 第1 章综述移动设备上的二维图形计算模型的研究 媒体辅助处理器，从最早的2 d 加速、j p e g 编译码、m p e g 一4 解压、视讯撷取 等需求，进而到最近的i i i l a g e o n2 3 0 0 2 3 2 0 的主打3 d 绘图处理器，提供手机 和p d a 在3 d 绘图加速上的需要。 表l 一2a 耵多媒体3 d 辅助处理器规格比较表( 米源：n v l d i a d i g m m sh b ，2 0 0 4 ) h 1 【l a g e o n i m a g e o n 特性 j 瑚窖c o n3 2 0 0j m a 萨o n i 0 0 2 3 0 0 陀3 2 02 2 0 0 2 2 5 0 内置s r a m 存储器 3 8 4 k3 8 4 k 晶片包装 b g ab g a 2 3 6 p i n 耶b g a1 6 5 p i nt f b g a 视频提取是是是 m p e g 一4 解压是是是是 j p e g 压缩是是 j p e g 解压是是是是 支持s d ，s d l 0 介面 是是是 支持最大分辨率 6 4 0 x 4 8 03 2 0 2 4 03 2 0 2 4 03 2 0 2 4 0 支持屏幕色彩数( 万) 2 62 62 62 6 耗电功率 2 0 i r l w1 0 i l l w2 0 1 w2 0 r n 、 针对设备p d 手机p d 刖手机p d a 手机p d a 手机 功能与用途 3 d m e d i a2 d ，m e d i a2 d m e d i a2 d ，m e d i a 从上表卜2 最新的g p u 芯片的性能参数，我们不难发现，图形显示i c 已经 独立承担了大部分图形图像以及多媒体处理工作，a p i 就是要充分调动这些硬 件的功能来完成我们的使用目的。 ( 4 ) 移动设备的l c d 显示屏幕 显示屏是一个信息处理系统必不可少的输出设备，移动系统也不例外。但 是m i d 的图形图像显示器强调了便携和节能的特点。用于移动设备的l c d 显示 屏种类繁多，主要有t f t ，t f d ，u f b ，s t n ，c s t n ，0 l e d 等等。这些l c d 的品质 和研发技术不同，从而带来显示效果有所差异。一般来说能显示的颜色越多越 能显示复杂的图像，画面的层次也更丰富。目前市面上能见到的手机能够显示 的色彩数目已经达到了6 5 ，5 3 6 色。手机屏幕的技术指标还包括屏幕分辨率，把 l c d 格数( 单位是点，d o t ) 除以屏幕面积得到的就是屏幕分辨率。 t f t 的特点是色彩饱和度高，还原能力强，对比度高，缺点是耗电，成本 高。t f d 有着比s t n 更好的亮度和色彩饱和度，却又比t f t 更省电。u f b 的特点 为超薄和高亮度。在设计上u f b l c d 还采用了特别的光栅设计，可减小像素问 移动设备上的三维图形计算模型的研究第1 章综述 距，以获得更佳的图像质量。s t n 屏幕的好处是功耗小，具有省电的最大优势。 彩色s t n 的显示原理是在传统单色s t n 液晶显示器上加一彩色滤光片，并将单 色显示矩阵中的每一像素分成三个子像素。因此也称“伪彩”。o l e d 屏幕无需 背光灯，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，这项新技术能极大程度上节 能。当然，目前应用领域还有大量的黑白单色显示的移动设备，但其显示效果 无法发挥3 d 移动a p i 的效能，这里就不赘述了。 移动设备的l c d 显示屏的显示效果，直接决定了用户对于图形图像处理结 果的视觉感受，因此一个高效的图形图像a p i 应该充分考虑在这条件苛刻的狭 小区域内的图像处理结果，并考虑到软件的可拓展性和广泛的兼容性。 1 4 2 无线网络的传输特点 一个设备与其他设备问互联互通是重要的，这是现代信息技术的主要特征。 移动信息处理设备，就是强调无线通讯，无限通信的个人设备。同时，移动设 备的网络连接，为不同设备问共享资源，交换信息提供了可能。移动设备的网 络连接手段种类同样很多：可以通过数据线与电脑连接，可以通过红外技术与 其他红外设备连接，通过蓝牙技术相互连接等等。特别是3 g 技术的推广以及服 务运营商提供的直接访问万维网，k j a v a 程序下载等，都为移动设备更新软件 程序，升级硬件b 1 0 s 提供了极大的便捷。通过w a p 收发邮件、登陆网站，移动 设备正在向着通用的i n t e r n e t 接入设备的方向发展。 在目前的无线网络传输中，无线数据技术已经开始从2 g 向3 g 前进，这将 带来更快的传输速度。虽然在发展过程中形成了众多的无线传输标准，且看下 表中所调查的数据，有必要了解一下它们各自的优缺点，将会说明三维数据无 线传输与控制的必要性与作用。 一1 3 第1 章综述移动设备上的三维图形计算模型的研究 表卜3 无线数据传输技术的传输速率的比较 传输技术及描述传输速率 t d m a ：时分复用( t i m ed i v i s i o n 达到9 6 k b p s m u l t i p l ea c c e s s ) 是第二代无线通 低功耗，但是只能进行单向传送，其传输速率无 讯技术( 2 gt e c h n o l o g y ) 法与3 g 技术相比 g s m ：全球移动通信系统是2 g 数据在欧洲该系统使用9 0 0 m h z 和1 8 g h z 频率。在美 蜂窝电话技术 国它使用1 9 g h zp c s 波段。达剑9 6 k b p s 即所谓的2 5 g ，支持数据分组交换。 g p r s ：通用分组无线业务( g e n e r a l 数据在现有的g s m 系统上发展出来的一种新的分 p a c k e tr a d i os e r v i c e ) 介于2 g 和 组数据承载业务。数据传输速率可达剑1 1 5 k b p s ； 3 g 技术之间 而a t t 无线g p r s 网络传输速率在4 0 k b p s 至 6 0 k b p s 之间。 e d g e ：增强数据速率g s m 环境 ( e n h a n c e dd a t ag s me n v i r o n m e n t )数据高达3 8 4 k b p s 是一种3 g 数字网络技术。 c d 5 i a ：码分多路访问( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 由 尽管其用户少于t d 姒，但作为目前快速发展的技 q l l a l c o m m 公司开发的目前正在向3 g术，能够提供比t d m a 更大的容最。 技术过渡的技术。 w c d 姒( 删t s ) ：宽带c d m a ( 也称为 u m t s 被设计用来提供至少1 4 4 k b p s 的传输速率 通用移动电话通讯系统一u m t s ) 属 ( 而且是在高速移动的状态卜，比如在汽乍上使 用) 。最初可提供高达2 f b p s 的速率。到2 0 0 5 年 于3 g 技术。 可达到1 0 m b p s 。 c d 姒2 0 0 01 x r t t ：3 g 技术，l x r t t 是c d m a 2 0 0 0 技术的第一阶段技术速率：1 4 4 k b p s 标准。 c d m a 2 0 0 0l x e v d o ：在分立通道重 速率：可达到2 4 m b p s 传输信号 c d m a 2 0 0 0l x e v d v ：在同一通道中 传输集成语音和数据。 速率：可达到2 4 m b p s 数据来源：无线数据传输技术的比较，t e c h u p d a l e c o m ，n e s d ay ，j l l l y12