远程三维场景渲染帧压缩研究

张晓征

(长春理工大学 计算机科学技术学院,吉林长春 130012)

OptiX光线跟踪引擎对硬件有较高要求,基于OptiX远程渲染系统整体框架设计为服务器渲染,经过网络传输通过客户端显示[1]。OptiX光线跟踪图像帧为PPM格式,占用空间大,存在大量冗余信息。JPEG是静态图像压缩标准[2],本文通过选取量化矩阵分析三维场景帧压缩比率问题。

1 图像压缩

1.1 总体框架

压缩系统通过读取PPM缓冲池文件压缩后存入JPEG缓冲池。压缩系统数据流如图1所示。

压缩系统从PPM缓冲池循环选取下一帧,当获取到下一帧时删除PPM缓冲池内上一帧数据,并把当前帧进行压缩放入JPEG缓冲池内。

图1 压缩模块数据流向

1.2 算法原理

JEPG基线压缩方法首先会将图像分割为8×8的小像素块。再对每一个像素块进行FDCT(Forward DCT)变换,来分离高频低频信息[3]。

8×8像素块内的FDCT变换公式为:

图2 压缩画面对比

图3 不同压缩策略下的压缩图像对比

变换后矩阵根据量化表进行量化,最后对量化后矩阵进行进行编码。将码表量化表与图像数据放入JPEG缓冲区。

1.3 压缩实验

人眼对低频的对比差异敏感度较高,对亮度差异的敏感度较对颜色的色度差异敏感度高,故传输数据采用YUV颜色编码模型。

RGB颜色编码到YUV颜色编码模型转换公式如下:

PPM缓冲池一帧进行压缩再解压后图像与原始PPM图像对比如图2所示。

通过画面对比,压缩程序在进行JPEG基线标准量化矩阵压缩时,画面整体信息保留完整,高频信息模糊化。

1.4 实验结果

本文使用的服务器为:Intel(R) Core(TM) i7-6700 CPU,8GB内存,NVIDIA GeForce GTX 970 GPU。编译环境为:win10 64位操作系统,VS2013,MATLAB R2014b。

图3是对缓冲池内某连续的帧图像在不同压缩策略下的压缩结果。在本次实验中,原始的1100×740分辨率下的PPM图像为2385KB,通过分析可以发现量化矩阵选取越大,JPEG图像压缩率越高。

因三维渲染视频帧之间的连续性,该文参照视频压缩方法对相邻帧进行差分,然后对差分帧进行量化矩阵C的量化压缩。通过对该次实验的第10,15,20,25,30五帧取样,发现帧间差分能有效消除帧间重复信息,在帧内压缩的基础上消除了约20%帧间冗余数据。

[1]Chen Y J, Hung C Y, Chien S Y. Distributed rendering: Interaction delay reduction in remote rendering with client-end GPU-accelerated scene warping technique[C]// IEEE International Conference on Multimedia & Expo Workshops. IEEE Computer Society, 2017:67-72.

[2]章承科.多核处理器构架的高速JPEG解码算法[J].单片机与嵌入式系统应用,2006, 6(1):44-47.

[3]张慧慧.基于FPGA的JPEG压缩编码器的设计与实现[D].中北大学,2017.