非真实感绘制与增强现实技术研究——计算机游戏中的若干关键技术

摘要

由于游戏开发对用户体验的要求，如何更好地绘制场景以及如何使场景和用户更好地进行交互一直是游戏设计开发最关心的两个问题。本文对这两个问题进行了研究，并且通过两项关键技术——基于纹理合成的非真实感绘制和基于图像绘制下的免校正的增强现实分别为这两个问题提供了解决的方案。 和传统的计算机图形学应用不同，游戏中经常要求场景绘制具有某种艺术感风格，即所谓的非真实感绘制技术。传统的非真实感绘制技术通过对艺术风格进行建模来实现。整个过程中艺术家只能通过抽象的参数对绘制过程进行控制。同时无法对风格化粒度进行操纵。本文通过结合图像分割和基于样本的纹理合成技术，提供了一个非真实感绘制的框架。在这个框架下，艺术家可以随意地控制对图中的对象进行风格化。并且风格化不再依赖于特定的风格模型，而可以基于用户的输入或系统提供的笔触图像来控制，从而使风格化的过程更加可控。 本文比较了多种图像分割技术并提出一种改进的区域生长分割算法；然后讨论了各种纹理合成算法并提出一种基于邻域匹配的纹理合成算法，我们为这种算法测试和比较了多种邻域匹配搜索方案并选择了最优的方法；最后我们探讨了系统性能优化，讨论了多分辨率纹理合成，算法的并行化，和GPU下的优化。还提供了与其他风格化算法结果的比较。 另一方面，为了使用户更加有身临其境的感觉，游戏开发中已经开始应用增强现实技术。传统的增强现实技术要求对场景和相机精确标定，并进行多次坐标系之间的变换来实现。基于仿射变换的免校正增强现实技术则可以通过仿射变换来免去复杂的标定过程。但是这类方法中测量信息的缺失导致了传统计算机图形学中的许多渲染算法如光照等无法应用。本文对该方法进行了研究，提出了一种基于图像的绘制技术。预先计算所要绘制的虚拟物体在不同角度光照和视角下的渲染结果，通过插值来得到新的视角下的虚拟物体外观。从而为基于仿射的免校正增强现实系统加入真实感光照，使结果更有真实感。同样对系统的性能优化作了讨论并实现了基于GPU的优化。 最后，本文探讨的两项技术可以很好地结合起来，通过结合非真实感绘制的增强现实系统为游戏提供似真似幻的场景绘制，从而更大程度地改进用户的体验。