基于CPU-GPU的混合地形數(shù)據(jù)并行可視化方法研究.pdf

1、三維地形可視化技術(shù)作為三維地理信息系統(tǒng)(3D GIS)的重要研究方向之一，受到人們的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)大規(guī)模地形可視化系統(tǒng)通常采用規(guī)則格網(wǎng)(GRID)結(jié)構(gòu)的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)表達(dá)三維地形，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但表達(dá)精度受地形特征影響較大，表達(dá)結(jié)果具有削峰填谷的“平滑”特征。而不規(guī)則格網(wǎng)模型（Triangulated Irregular Networks）可以保留地形特征，彌補(bǔ)規(guī)則格網(wǎng)的不足。由

2、于大范圍三維地形數(shù)據(jù)量龐大以及計(jì)算機(jī)硬件性能的制約，三維可視化時(shí)較難將地形數(shù)據(jù)一次性載入內(nèi)存并參與渲染。與此同時(shí)，隨著高性能計(jì)算軟硬件的發(fā)展，并行計(jì)算技術(shù)為大范圍地形可視化提供了新的軟硬件技術(shù)基礎(chǔ)。
　　基于以上背景，本文對(duì)于大范圍的、具有高精度要求的地形三維可視化，采用嵌入矢量特征數(shù)據(jù)的不規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與規(guī)則格網(wǎng)結(jié)構(gòu)相結(jié)合進(jìn)行表達(dá)。以具有多核CPU與高性能計(jì)算GPU的計(jì)算機(jī)為實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，從大規(guī)?；旌系匦螖?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)化算法、地

3、形的并行渲染方法以及混合地形場(chǎng)景的組織調(diào)度方法等方面出發(fā)進(jìn)行了探討與研究。
　　研究?jī)?nèi)容和主要成果包括以下幾個(gè)方面:
　　1)GRID/TIN混合地形數(shù)據(jù)連續(xù)動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)化算法
　　研究了基于GRID/TIN混合結(jié)構(gòu)地形的視點(diǎn)相關(guān)地形動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)化算法。以一定誤差閾值為約束，采用視點(diǎn)依賴算法對(duì)混合地形格網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)簡(jiǎn)化，通過(guò)降低地形場(chǎng)景復(fù)雜度提高渲染效率。
　　(1)混合地形的并行可視化方法
　　研究了針對(duì)矢量與柵格融合

4、后的GRID/TIN混合結(jié)構(gòu)表達(dá)的地形的并行可視化方法。利用多核CPU與高性能GPU并行計(jì)算加速特性各自的優(yōu)點(diǎn)，將渲染過(guò)程中部分計(jì)算過(guò)程并行化，從而降低在計(jì)算時(shí)間上的消耗，進(jìn)一步提升繪制速率。
　　(2)混合地形數(shù)據(jù)組織與調(diào)度
　　針對(duì)混合地形中GRID與TIN瓦片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了混合地形數(shù)據(jù)的內(nèi)外存組織方法，以及基于多級(jí)緩沖的多線程分塊數(shù)據(jù)預(yù)取調(diào)度機(jī)制。
　　結(jié)合研究?jī)?nèi)容，本文采用一種基于混合地形數(shù)據(jù)的并行可視化方法

5、。該方法將分塊地形數(shù)據(jù)以文件形式存儲(chǔ)在外存，以基于多級(jí)緩沖的多線程調(diào)度技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。在地形渲染中，結(jié)合多核CPU對(duì)混合地形采用基于ROAM(Real-time Optimal Adaptation Mesh)和PM(Progressive Mesh)改進(jìn)的并行簡(jiǎn)化算法進(jìn)行地形實(shí)時(shí)簡(jiǎn)化，同時(shí)運(yùn)用視錐體剪裁技術(shù)以及基于GPU通用計(jì)算的光照算法進(jìn)一步提升可視化效率。并采用嵌入公路特征線的廬山5米分辨率混合DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)