基于移动设备的三维模型混合渲染系统及其方法技术方案

本发明专利技术提供了基于移动设备的三维模型混合渲染系统及渲染方法，系统包括服务器和客户端，服务器用于从文件中读取三维数据简化后传输至客户端；客户端用于对数据进行重新组织后使用OpenGL ES对三维模型进行渲染和显示；客户端和服务器采用TCP/IP方式通信，使用字符串流方式进行过滤传输。方法包括：服务器端读取三维模型文件，解析并存储；对数据进行简化计算并保存；服务器端与客户端建立连接将数据发送给客户端；客户端对数据重新组织后使用OpenGL ES对三维模型进行渲染和显示。本发明专利技术采用客户端‑服务器模式，将复杂的计算操作放在服务器上，从而移动设备只承担较轻的渲染工作，大大提升了渲染的速度和整体的渲染效率。

3D model hybrid rendering system based on mobile devices and its method

The present invention provides a hybrid 3D model rendering system and rendering method based on mobile device system, including server and client, the server is used to read the simplified 3D data transmission to the client from the file; for the client to re organize the data using the OpenGL ES on 3D model rendering and display; the client and server using TCP/IP communication mode use character stream filter, transmission. The method includes: the server reads the 3D model files, analyzing and storing the data; simplified calculation and storage; the server and the client to establish a connection to send data to the client; the client to re organize the data after using OpenGL ES rendering and display of 3D model. The invention adopts the client server mode, the calculation complexity of the operation on the server, and mobile devices only undertake lighter rendering work, greatly enhance the rendering speed and overall rendering efficiency.

【技术实现步骤摘要】
基于移动设备的三维模型混合渲染系统及其方法
本专利技术属于计算机图形处理
，涉及三维可视化渲染技术，更为具体的说，是涉及基于移动设备的三维模型混合渲染系统及渲染方法。
技术介绍
三维可视化技术一直都是业界研究的热点，移动设备技术也在不断发展，这就推动了基于移动平台的可视化软件的产生。近年来，国内外涌现了很多比较成熟的三维可视化平台，如ArcGIS、Skyline、SuperMap、ImagineVirtualGIS、CityMaker等。但在移动端，三维可视化研究对平台的依赖性相对比较强。由于计算速度和内存等硬件条件的限制和交互性的要求，移动端很难胜任复杂三维场景的渲染工作，这是其与传统的PC渲染平台相比的天然劣势。而伴随着网络的普及和带宽的提升，越来越多的应用开始采用基于客户端/服务器模式的远程渲染方法，将庞大的三维数据和复杂耗时的渲染工作放在性能较强的服务器，而移动设备只承担显示工作。这样能够大大减轻移动端的负担，提升渲染的效率。在国内外学者的研究方面，JLluch等人采用客户端/服务器模式，基于OpenGLES和PocketPC实现三维模型的动态渲染，受限于当时的硬件条件，渲染的效率并不高，有较为明显的延迟。HaifaRajaMaamar等描述了一种利用远程渲染的移动三维可视化方法，解决了移动三维可视化目前存在的用户体验质量较低的问题，进而提出了面向移动的三维网格传输方法。薛晨基于C/S架构在Android移动端利用了OpenGLES实现了三维模型多层次的显示；赖冬林提出利用远程渲染方法实现高效的移动三维GIS可视化表达，并验证了其可行性和实用性。在目前，国内外采用客户端-服务器模式的三维渲染模型主要是将所有的工作全部放在客户端或者服务端，另外一端只负责存储或者显示。而当渲染完全由服务器承担时，需要向移动端传输大量的数据，这就对带宽提出了很高的要求，实际应用中常常由于传输速度限制导致渲染后的数据不能够及时传输到移动端，而严重影响用户的体验效果。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提出了一种混合渲染的方法，将较为耗时的复杂的计算工作放在服务器进行，而移动设备作为客户端负责模型的渲染和显示，大大减轻了移动设备的负担，提升了渲染显示的效率。为了达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：基于移动设备的三维模型混合渲染系统，包括服务器和客户端，所述服务器用于从文件中读取三维数据和对数据进行简化计算并将数据传输至所述客户端；所述客户端运行在移动设备上，用于对数据进行重新组织后使用OpenGLES对三维模型进行渲染和显示；所述客户端和服务器之间采用TCP/IP的方式进行通信，使用字符串流的方式进行过滤传输。进一步的，所述服务器的数据中保留了顶点和面之间的拓扑关系；所述客户端的数据中保留了顶点的必要属性。进一步的，所述服务器和客户端均采用索引数组的方式组织数据。基于移动设备的三维模型混合渲染方法，包括以下步骤：第一步，服务器读取三维模型文件，解析数据并按照一定的格式存储到内存中；第二步，服务器对三维网格数据进行简化计算，并保存简化后的数据；第三步，服务器与移动设备上的客户端建立TCP/IP连接，服务器将简化后的数据发送给客户端；第四步，客户端接收服务器发送来的数据，对数据进行重新组织，使其符合OpenGLES渲染的要求，然后使用OpenGLES对三维模型进行渲染和显示。进一步的，所述第一步包括如下步骤：服务器从硬盘中读取三维obj文件，obj文件存储了模型三角面片的顶点、法线、纹理坐标和材质信息，并采用顶点索引算法将文件中存储的顶点数组组成多边形；服务器对文件进行解析时首先解析每一行开头的字母，判断该行属于那一类的信息，将顶点和面信息分别存入相应的列表中，其中，面采用顶点索引的方式进行保存，服务器在保存面的时候，还同时完善点和面的其他信息。所述其他信息包括相邻的顶点和面的信息，以及面的面积和法向量。进一步的，所述第二步中的简化计算包括如下步骤：步骤1，读取三维网格中所有的顶点和面，计算其基础二次方矩阵和初始二次误差矩阵并保存在顶点属性中，二次误差矩阵中包括面积因素；步骤2，计算每条边折叠的估计误差和新顶点的位置，在折叠后新顶点的代价中包含法向量约束，将最小的折叠代价以及对应的新顶点和原顶点的位置存入顶点属性中，并将折叠误差插入优先队列；步骤3，从优先队列中取出折叠代价最小的一条边，对其进行折叠操作，并更新相关顶点和面；步骤4，判断是否满足设定的简化条件，若不满足，则返回第三步；若满足，则过程结束。进一步的，所述第三步包括如下步骤：服务器监听客户端的连接；客户端请求连接；连接成功后，服务器开始向客户端采用字符串的方式发送数据，每次发送一行字符，包括该顶点的坐标和法向量，每行字符包括12个浮点数，前9个为同一个面的三个顶点的x、y和z坐标，后三个为这个面的法向量。进一步的，所述第四步包括如下步骤：客户端收到服务器发来的数据以后，解析后获得顶点、面以及法向量信息，分别存入顶点数组、索引数组和法向量数组中，然后使用OpenGLES的顶点索引方式对三维数据进行渲染。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：本专利技术提供的基于移动设备的三维模型混合渲染系统和方法，克服了传统的单一的移动端渲染中所存在的性能不足、计算能力较差、渲染效率较低的问题，采用客户端-服务器模式，将复杂的计算操作放在服务器上，从而移动设备只承担较轻的渲染工作，大大提升了渲染的速度和整体的渲染效率。与完全由服务器渲染的方法相比传输的数据量较少，对带宽的要求较低；与完全由客户端处理的方法相比，简化的速度提升，复杂数据处理更快。附图说明图1为本专利技术提供的基于移动设备的三维模型混合渲染系统的整体框架图。图2为本专利技术提供的基于移动设备的三维模型混合渲染系统的整体功能流程图。图3为三维obj文件的解析流程图。图4为客户端-服务器通信流程示意图。具体实施方式以下将结合具体实施例对本专利技术提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。如图1所示，本专利技术提供了一种基于移动设备的三维模型混合渲染系统，让客户端和服务器各承担一部分渲染工作，服务器进行数据的简化计算，作为客户端的移动设备采用OpenGLES进行余下的渲染步骤。系统结构包括服务器、客户端两个部分。服务器运行在高性能的电脑上，主要功能是从文件中读取三维原始模型，使用基于二次误差测度的改进算法对模型进行简化计算(简化计算过程见下文)得到简化模型，并将简化模型传输至所述客户端；简化模型中包含很多的无效数据，服务器将其过滤后发送给客户端。客户端运行在移动设备上，用于对数据进行重新组织后，生成目标模型，最后，再添加位置、光照等参数，使用OpenGLES对三维模型进行渲染和显示。客户端和服务器之间采用TCP/IP的方式进行通信，使用字符串流的方式进行过滤传输。本实施例采用Java作为编程语言，服务器端程序运行在电脑上，客户端程序运行在基于Android7.0的手机上。在客户端上还可以通过OpenGLES的应用程序接口进行平移、缩放、交互式地改变位置或光照等参数；另外还可以根据需求增加一些其他的定制功能，例如文字显示、按钮动画、查询等等。服务器和客户端采用不同的数据组织本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于移动设备的三维模型混合渲染系统，包括服务器和客户端，其特征在于：所述服务器用于从文件中读取三维数据和对数据进行简化计算并将数据传输至所述客户端；所述客户端运行在移动设备上，用于对数据进行重新组织后使用OpenGL ES对三维模型进行渲染和显示；所述客户端和服务器之间采用TCP/IP的方式进行通信，使用字符串流的方式进行过滤传输。

【技术特征摘要】
1.基于移动设备的三维模型混合渲染系统，包括服务器和客户端，其特征在于：所述服务器用于从文件中读取三维数据和对数据进行简化计算并将数据传输至所述客户端；所述客户端运行在移动设备上，用于对数据进行重新组织后使用OpenGLES对三维模型进行渲染和显示；所述客户端和服务器之间采用TCP/IP的方式进行通信，使用字符串流的方式进行过滤传输。2.根据权利要求1所述的基于移动设备的三维模型混合渲染系统，其特征在于：所述服务器的数据中保留了顶点和面之间的拓扑关系；所述客户端的数据中保留了顶点的必要属性。3.根据权利要求1所述的基于移动设备的三维模型混合渲染系统，其特征在于：所述服务器和客户端均采用索引数组的方式组织数据。4.基于移动设备的三维模型混合渲染方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步，服务器读取三维模型文件，解析数据并按照一定的格式存储到内存中；第二步，服务器对三维网格数据进行简化计算，并保存简化后的数据；第三步，服务器与移动设备上的客户端建立TCP/IP连接，服务器将简化后的数据发送给客户端；第四步，客户端接收服务器发送来的数据，对数据进行重新组织，使其符合OpenGLES渲染的要求，然后使用OpenGLES对三维模型进行渲染和显示。5.根据权利要求4所述的基于移动设备的三维模型混合渲染方法，其特征在于：所述第一步包括如下步骤：服务器从硬盘中读取三维obj文件，obj文件存储了模型三角面片的顶点、法线、纹理坐标和材质信息，并采用顶点索引算法将文件中存储的顶点数组组成多边形；服务器对文件进行解析时首先解析每一行开头的字母，判断该行属于那一类的信息，将顶点和面信息分别存入相...

【专利技术属性】
技术研发人员：王慧青，焦越，田珊珊，王冲，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32