面向并行環(huán)境的繪制加速技術研究.pdf

1、計算機圖形學歷經(jīng)三十多年發(fā)展，其理論研究和應用實踐都取得了巨大進步，在醫(yī)療醫(yī)藥、工業(yè)應用、國防建設、建筑規(guī)劃、傳媒娛樂、科研教育等領域應用廣泛。近年來，計算機圖形學研究和應用呈現(xiàn)模型復雜度急劇增大、場景對象屬性愈加復雜、繪制真實感要求更高、顯示分辨率呈數(shù)量級遞增等特點。這些特點，加上繪制實時性要求，最終反映為追求圖形繪制性能的提高。自二十世紀九十年代以來，單機圖形處理器性能快速提高，并行圖形繪制技術蓬勃發(fā)展，各種軟件繪制加速技術不斷涌現(xiàn)

2、，成為提高圖形繪制性能的三個主流方向。
　　 目前大多數(shù)軟件繪制加速技術多為單機應用設計，無法直接移植到分布式并行繪制環(huán)境中。然而隨著對繪制性能要求的不斷提高，集成多種軟硬件快速繪制技術成為構建高性能圖形繪制平臺的必然選擇。本文緊密結合分布式并行環(huán)境的特點，對可見性剔除、多分辨率建模與繪制、存儲訪問優(yōu)化和系統(tǒng)集成技術展開了研究，提出了適合于分布式并行繪制環(huán)境的軟件繪制加速算法，完成了與已有并行繪制系統(tǒng)和分布式仿真系統(tǒng)的集成。集成

3、系統(tǒng)支持大屏幕多屏拼接顯示，支持漫游、仿真等多種上層應用，支持大型網(wǎng)格模型和大規(guī)模虛擬場景的實時繪制。本文的創(chuàng)新工作主要體現(xiàn)在以下四個方面。
　　 首先，通過對可見性時空連貫性的分析，提出了基于預測的遮擋剔除算法。該算法利用可見性時空連貫性對場景可見性狀態(tài)進行預測，并結合硬件遮擋查詢功能，能有效減少遮擋查詢次數(shù)，隱藏遮擋查詢延時，對深度復雜性較大場景的遮擋剔除效率可達70％以上，遮擋查詢數(shù)量最多可減少50％。在此基礎上，提出了數(shù)

4、據(jù)并行和功能并行兩種并行遮擋剔除策略。數(shù)據(jù)并行遮擋剔除將遮擋查詢分布到不同集群節(jié)點并行執(zhí)行，功能并行遮擋剔除利用集群節(jié)點組成并行遮擋剔除流水線。本文算法能有效提高遮擋剔除速度，在32個節(jié)點PC集群環(huán)境下，并行遮擋剔除相比于單機遮擋剔除的最大加速比可達15：1。
　　 其次，針對大型網(wǎng)格模型簡化和多分辨率構建時間太長這一問題，研究了基于PC集群的并行網(wǎng)格簡化和并行多分辨率構建技術。提出了基于網(wǎng)格分割和基于流式處理兩種并行簡化方法，

5、通過將子網(wǎng)格或網(wǎng)格流分布到不同PC節(jié)點執(zhí)行并行簡化，在24個節(jié)點PC集群環(huán)境下，簡化速度最大可達單機簡化速度的19倍。針對基于頂點聚類的多分辨率表示方法，提出了子樹分割、子樹多分辨率并行構建和子樹合并的并行多分辨率構建方法，其性能明顯優(yōu)于單機構建。提出了基于基準測試的資源管理和動態(tài)任務管理機制，能有效實現(xiàn)并行簡化和并行多分辨率構建過程中的負載平衡。
　　 再次，對PC集群環(huán)境下的存儲訪問優(yōu)化技術進行了研究。針對大規(guī)模虛擬場景并行

6、繪制系統(tǒng)通常采用保留模式這一特點，提出了基于優(yōu)先權的統(tǒng)一外存數(shù)據(jù)管理框架。該框架采用數(shù)據(jù)調度策略和數(shù)據(jù)調度機制分離方式，將數(shù)據(jù)調度策略轉化為調度請求優(yōu)先權的計算，統(tǒng)一數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)預取和數(shù)據(jù)撤消請求的處理和執(zhí)行到同一框架下，簡化了不同應用管理內(nèi)外存數(shù)據(jù)的復雜度。提出了一種基于三角形排布的緩存優(yōu)化算法，采用直接與平均緩存失配率相關的代價度量對三角形序列進行重排，在保證優(yōu)化質量的情況下，簡化了代價度量計算量。本文算法的緩存優(yōu)化性能與前人最好

7、結果相當，但優(yōu)化速度快一個數(shù)量級以上。
　　 最后，對軟件繪制加速算法與并行繪制系統(tǒng)和分布式仿真系統(tǒng)的集成技術進行了研究，提出了以場景數(shù)據(jù)組織框架為核心的集成方法。本文的場景數(shù)據(jù)組織框架用于表示和組織邏輯對象、幾何數(shù)據(jù)、層次結構等多種數(shù)據(jù)類型，采用抽象數(shù)據(jù)結構和統(tǒng)一接口函數(shù)方式，將集成組件與數(shù)據(jù)結構分離，簡化了系統(tǒng)集成的復雜度，提高了核心數(shù)據(jù)結構的可重用性和可擴展性。該框架支持場景數(shù)據(jù)動態(tài)保留模式以及多種數(shù)據(jù)視圖和層次結構，支持