淺析虛擬現(xiàn)實應(yīng)用中的并行渲染技術(shù)

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1、淺析虛擬現(xiàn)實應(yīng)用中的并行渲染技術(shù)　　論文關(guān)健詞：虛擬現(xiàn)實并行渲染負(fù)載平衡　歸屬判斷　　論文摘要：虛擬現(xiàn)實應(yīng)用要求圖形系統(tǒng)具備實時渲染復(fù)雜、精細(xì)場景的能力。基于PC機(jī)群的并行渲染系統(tǒng)具有性價比高、擴(kuò)展性好的特點，適合虛擬現(xiàn)實應(yīng)用。該文針對虛擬現(xiàn)實應(yīng)用設(shè)汁并實現(xiàn)了一個保留模式的sort—first并行實時渲染系統(tǒng)，對影響渲染性能的關(guān)鍵因素進(jìn)行研究，給出具體實現(xiàn)步驟、試驗驗證數(shù)據(jù)和結(jié)論。應(yīng)用表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的高效并行計算及虛擬現(xiàn)實應(yīng)用中的復(fù)雜場景實時處理?！　?概述　　虛擬現(xiàn)實技術(shù)已廣泛應(yīng)用于車輛仿真、建筑預(yù)排、計算機(jī)輔助設(shè)計以及科學(xué)可視化等領(lǐng)域。隨著圖

2、形圖像硬件和軟件的發(fā)展，人們對應(yīng)用的交互性和現(xiàn)實感提出了越來越高的要求：在滿足實時性(每秒30幀)和低延遲的同時，需要構(gòu)造更加逼真、精細(xì)的三維復(fù)雜場景，其數(shù)據(jù)規(guī)模日益膨脹，有時還需要滿足多通道輸出等特殊的應(yīng)用要求?！　』赑C機(jī)群的并行渲染技術(shù)以其性價比高、兼容性好、擴(kuò)展靈活等特點，成為虛擬現(xiàn)實實時顯示研究的新方向。隨著PC系統(tǒng)上圖形卡渲染能力的提高和千兆網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，建立在高速網(wǎng)絡(luò)連接的PC工作站集群上的并行渲染系統(tǒng)具有良好的性價比和更好的可擴(kuò)展性，得到越來越廣泛的應(yīng)用。　　圖形計算任務(wù)的描述非常簡單：給定一個環(huán)境下所有物體的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)計算每個模型對于

3、給定可視面上每個像素的作用，這就是圖形流水線。Sutherland，Sproull和Schurnacher于1974年提出從數(shù)據(jù)分配(sorting)角度對并行渲染進(jìn)行研究。依據(jù)從對象空間到屏幕空間轉(zhuǎn)換過程中的渲染任務(wù)發(fā)生時間點，文獻(xiàn)【1】將并行渲染方法分為3類：sort—firstsort—middle和sort—last，該理論成為并行圖形渲染和分布圖形渲染研究的里程碑。　　sort—first方式在圖形流水線的開始階段就將圖元分配到各渲染節(jié)點；sort—middle在幾何變換與光柵化之間重新分布圖元；sort—last則在流水線的最后重新分布像素。s

4、ort—middle和sort—last方式都在一定程度上符合圖形流水線的自然形態(tài)，因此，適合硬件實現(xiàn)，如SGI的RealityEngine和InfiniteReality是sort—middle系統(tǒng)，HP與UNC合作的PixelFlop;CG國家重點實驗室開發(fā)的AnyGL是一個sort—first和sort—last混合的支持大規(guī)模分布的并行渲染系統(tǒng)?！　?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)　　本文設(shè)計了一個基于PC機(jī)群的保留模式sortfirst并行渲染系統(tǒng)。該系統(tǒng)的各個節(jié)點均配有高端普通圖形顯示卡，采用千兆以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行互連，期望以較低的成本達(dá)到大型專有系統(tǒng)的性能，并且具有

5、更強的靈活性和可擴(kuò)展性。其基本工作模式為“歸屬判斷一渲染一同步顯示”。這種設(shè)計能充分利用幀問相似性，減少網(wǎng)絡(luò)開銷。與另2種方式相比，sortfirst最大的特點是對圖形流水線介入較淺。　　圖1為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由一個用戶服務(wù)節(jié)點和一個圖形計算機(jī)子系統(tǒng)組成。后者包含很多處理節(jié)點，這些節(jié)點實時處理圖像。　　(1)用戶服務(wù)節(jié)點：負(fù)責(zé)渲染節(jié)點之間的協(xié)調(diào)，接收用戶輸入，傳送命令，執(zhí)行負(fù)載平衡任務(wù)?！　?2)渲染節(jié)點：擁有全部場景數(shù)據(jù)。根據(jù)視點的改變和負(fù)載平衡計算結(jié)果自適應(yīng)地判斷面片歸屬，根據(jù)統(tǒng)一位姿指令執(zhí)行渲染任務(wù)，提取圖像像素數(shù)據(jù)并發(fā)送給圖像服務(wù)節(jié)點?！　?3)

6、圖像服務(wù)節(jié)點：接收渲染節(jié)點輸入像素數(shù)據(jù)，合成像素數(shù)據(jù)，輸出圖像信息到投影設(shè)備?！　　　∠到y(tǒng)在原始數(shù)據(jù)輸入后及頂點變換前對計算任務(wù)進(jìn)行分配。其工作模式如下：　　Stepl用戶服務(wù)節(jié)點執(zhí)行負(fù)載平衡計算。　　Step2根據(jù)負(fù)載平衡結(jié)果，渲染節(jié)點確定圖元歸屬?！　tep3渲染節(jié)點執(zhí)行渲染服務(wù)，提取像素數(shù)據(jù)并發(fā)送。　　Step4圖像處理節(jié)點接收像素數(shù)據(jù)，執(zhí)行圖像拼合?！　tep5輸出到投影設(shè)備并顯示?！　∝?fù)載平衡是sort—first架構(gòu)面對的最大問題。在實際應(yīng)用中，圖元的屏幕劃分是高度可變的，為了達(dá)到很好的負(fù)載平衡效果，必須深入研究渲染節(jié)點的屏幕分配策略。另外

7、，圖元的跨屏幕分布帶來的重復(fù)渲染也會導(dǎo)致渲染效率的降低。為了便于討論，以一臺應(yīng)用主機(jī)和一個圖形計算子系統(tǒng)為例。后者由幾個渲染節(jié)點及一個圖像處理節(jié)點組成，渲染節(jié)點實時渲染圖像，圖像處理節(jié)點負(fù)責(zé)顯示。顯示模型數(shù)據(jù)庫開始即被分配到所有渲染節(jié)點，因此，為保留模式?！　?關(guān)鍵技術(shù)　　3．1系統(tǒng)并行性　　多邊形渲染是一種“近似易并行”的計算，其特點是適合并行，但需要計算任務(wù)的分布和收集計算結(jié)果，并用某種方式加以組合。對多邊形渲染算法引入并行的方法有2種：功能并行和數(shù)據(jù)并行?！　?．1．1數(shù)據(jù)并行　　并行渲染應(yīng)用要求在圖形流水線的幾何轉(zhuǎn)換和光柵化階段都進(jìn)行并行化。對于s

8、ort—first，一旦確定了圖元歸屬，渲染節(jié)點只要計算它負(fù)責(zé)的那