圖形硬件加速的實(shí)時體繪制關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、三維體數(shù)據(jù)的體繪制是科學(xué)計(jì)算可視化領(lǐng)域最重要、發(fā)展最迅速的一項(xiàng)技術(shù)。它是在吸收計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺和計(jì)算機(jī)圖像處理等學(xué)科有關(guān)知識的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,在醫(yī)學(xué)三維重建、計(jì)算流體力學(xué)、有限元后處理、地震地質(zhì)勘探等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。體繪制技術(shù)無需構(gòu)造中間幾何圖元,直接將三維體數(shù)據(jù)映射到二維的成像平面上產(chǎn)生最終繪制結(jié)果,具有能夠半透明顯示體數(shù)據(jù)的不同區(qū)域和內(nèi)部細(xì)節(jié)的優(yōu)勢。但由于體繪制需要處理的數(shù)據(jù)量十分龐大,生成圖像的算法又比較復(fù)雜,相

2、比其他算法如面繪制其具有計(jì)算量大、處理時間長的固有缺陷,在普通PC機(jī)上對于中等大小的體數(shù)據(jù)也很難達(dá)到實(shí)時交互繪制的效果,因而常常需要使用價(jià)格昂貴的高端圖形工作站或?qū)Ｓ糜布韺?shí)現(xiàn)。近年來,計(jì)算機(jī)硬件的飛速發(fā)展,特別是圖形硬件的計(jì)算性能和可編程性的不斷提高,為實(shí)現(xiàn)實(shí)時體繪制技術(shù)提供了硬件上的支持。
　　 本文主要研究的內(nèi)容是開發(fā)能夠利用最新GPU的高速并行計(jì)算能力的體繪制快速算法,最終目標(biāo)是在價(jià)格低廉的PC機(jī)平臺上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量實(shí)時體繪

3、制系統(tǒng)。本文分為如下三個部分:
　　 第一部分首先介紹了體繪制的數(shù)據(jù)模型和光照模型,分析了體繪制流程中各個步驟可能給GPU實(shí)現(xiàn)帶來的影響,為后續(xù)GPU體繪制算法和優(yōu)化算法的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。接下來介紹了體繪制技術(shù)的幾種常見算法,闡述了其算法原理和計(jì)算復(fù)雜度,分析了它們在繪制質(zhì)量和性能上的差異,并確定光線投射加速算法為最終的研究方向。
　　 第二部分研究了GPU在硬件結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn),重點(diǎn)說明了可編程渲染管線的結(jié)構(gòu)和工作模式,對

4、在GPU上完成通用計(jì)算的方法進(jìn)行了全面的介紹。
　　 第三部分研究了在GPU上實(shí)現(xiàn)的體繪制快速算法。首先分析了早期使用的紋理切片體繪制的不足之處,然后實(shí)現(xiàn)了一種單遍繪制的GPU光線投射算法。接下來在這個算法的基礎(chǔ)上引入八叉樹包圍盒技術(shù),使得繪制性能大大提高。此外,還研究了GPU著色語言代碼優(yōu)化和使用高精度深度值提高繪制精度問題,進(jìn)一步改善了GPU體繪制的性能和質(zhì)量。
　　 實(shí)驗(yàn)表明本文提出并實(shí)現(xiàn)的體繪制快速算法能夠在普通