分布并行圖形繪制技術(shù)及其應(yīng)用

前言

　　近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)圖形軟硬件技術(shù)的日益進(jìn)步和應(yīng)用需求的不斷增長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究和應(yīng)用呈現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn)：　　（1）模型復(fù)雜度急劇增大。隨著三維掃描、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和科學(xué)仿真等技術(shù)的提高，幾何建模變得更加方便，模型的幾何復(fù)雜度也越來(lái)越大，包含上千萬(wàn)甚至數(shù)十億幾何圖元的模型變得十分普遍。這些模型數(shù)據(jù)精度高，能保留原始模型的細(xì)節(jié)特征，對(duì)機(jī)械制造、生命科學(xué)、軍事仿真、建筑規(guī)劃、文物保護(hù)、影視游戲等諸多領(lǐng)域具有重要價(jià)值?！　。?）場(chǎng)景對(duì)象更加復(fù)雜。隨著幾何、材質(zhì)、物理建模技術(shù)以及運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)的提高，虛擬場(chǎng)景中對(duì)象類型越來(lái)越多，對(duì)象屬性也變得更加復(fù)雜。對(duì)象狀態(tài)可能為靜態(tài)，也可能由用戶控制或程序驅(qū)動(dòng)而動(dòng)態(tài)變化；對(duì)象表示可能采用幾何表達(dá)方式，也可能采用基于圖像的表達(dá)方式，甚至兩者相結(jié)合的表達(dá)方式；對(duì)象屬性除了包含幾何和材質(zhì)屬性外，也可能包含物理屬性，以及交互和智能等高級(jí)屬性?！　。?）繪制真實(shí)感要求更高。隨著材質(zhì)獲取、建模和編輯技術(shù)的提高，以及對(duì)繪制算法的不斷研究，許多應(yīng)用不但要求表現(xiàn)模型的復(fù)雜外觀效果，例如頭發(fā)、皮膚、蝕刻等效果，還要求表現(xiàn)復(fù)雜的全局光照明效果，例如鏡面反射、透射、陰影、衍射、色滲等效果?！　。?）顯示分辨率呈數(shù)量級(jí)遞增。多年來(lái)，單屏顯示分辨率一直局限在1024×1024數(shù)量級(jí)上，成為制約圖形顯示能力的瓶頸。近年來(lái)，多屏拼接顯示技術(shù)的發(fā)展和成熟使得大范圍、可伸縮、高分辨率的沉浸式顯示設(shè)備，例如CAVE和大屏幕投影墻，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。這類顯示設(shè)備通過(guò)提高顯示分辨率來(lái)提供更加精細(xì)的繪制結(jié)果，能極大增強(qiáng)人們?cè)谔摂M環(huán)境中的沉浸感，提高虛實(shí)合一的程度，同時(shí)此類技術(shù)要求能同時(shí)處理十倍甚至百倍單屏顯示的數(shù)據(jù)量，從而對(duì)圖形繪制性能提出了新的要求?！　∩鲜鲂碌膽?yīng)用特點(diǎn)加上對(duì)真實(shí)感與實(shí)時(shí)性統(tǒng)一的要求，最終反映在提高繪制性能的追求上。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，單機(jī)圖形處理器（GPIJ）性能快速提高，分布并行圖形繪制技術(shù)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)，成為提高繪制性能的兩個(gè)主流方向。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)深入地介紹了分布并行圖形繪制的基礎(chǔ)知識(shí)、體系結(jié)構(gòu)和多種繪制加速算法以及典型的應(yīng)用系統(tǒng)，分為基礎(chǔ)篇、技術(shù)篇和應(yīng)用篇，共15章的內(nèi)容。    本書可作為并行圖形繪制、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)、高性能圖形繪制等方向的研究生教材以及技術(shù)參考書，同時(shí)可供研究并行繪制技術(shù)和分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的師生和從事高性能圖形繪制技術(shù)的研發(fā)人員參考。

書籍目錄

基礎(chǔ)篇 　前言 　第1章  圖形流水線與場(chǎng)景圖  　引言　  1.1  計(jì)算機(jī)圖形學(xué)簡(jiǎn)介  　  1.1.1  計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史    　1.1.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容  　  1.1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域　  1.2  圖形流水線    　1.2.1  圖形流水線基礎(chǔ)  　    1.2.2 圖形流水線處理階段　  1.3  場(chǎng)景圖  　  1.3.1  場(chǎng)景圖簡(jiǎn)介　    1.3.2 場(chǎng)景圖特點(diǎn)  　  1.3.3  常見(jiàn)場(chǎng)景圖　  1.4  總結(jié)和展望  　  參考文獻(xiàn)　第2章  圖形API：OpenGL與Direct3D　第3章  圖形處理器與圖形集群技術(shù)篇 　第4章  并行圖形繪制體系結(jié)構(gòu)　第5章  基于節(jié)點(diǎn)遷移的負(fù)載平衡策略　第6章  基于預(yù)測(cè)的遮擋剔除和并行遮擋剔除　第7章  并行網(wǎng)格簡(jiǎn)化和并行多分辨率構(gòu)建　第8章  外存數(shù)據(jù)管理框架和基于三角形排布的緩存優(yōu)化技術(shù)　第9章  面向并行繪制的三角形網(wǎng)格壓縮　第10章  三角形條帶化　第11章  并行繪制系統(tǒng)PSG與系統(tǒng)集成技術(shù)　第12章  D3DPR并行圖形繪制系統(tǒng) 應(yīng)用篇 　第13章  多屏拼接顯示　第14章  分布并行繪制與HLA仿真應(yīng)用的集成技術(shù)　第15章  基于網(wǎng)格的分布式仿真與可視化系統(tǒng) 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　1）建模技術(shù)　　計(jì)算機(jī)圖形建模技術(shù)利用計(jì)算機(jī)構(gòu)建物體的幾何形狀描述，得到的幾何模型可以用于圖像合成、仿真、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造等。圖形建模技術(shù)可分為計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)（computer aided geometric design，CAGD）和自然景物建模兩大分支[4]。計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)追求建模的精確度、可靠性和建模的速度，其核心問(wèn)題是要解決工業(yè)產(chǎn)品幾何形狀的數(shù)學(xué)描述，主要研究?jī)?nèi)容包括曲線曲面的計(jì)算機(jī)表示、插值、擬合、逼近、離散、拼接、求交、求導(dǎo)、求積、轉(zhuǎn)換、變形、造型、重建、簡(jiǎn)化等。隨著計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)理論和應(yīng)用的不斷發(fā)展，從飛機(jī)、汽車、船舶、宇宙飛船等大型運(yùn)輸設(shè)備設(shè)計(jì)，到大規(guī)模集成電路芯片、模具等工程器件設(shè)計(jì)，到公路網(wǎng)、房地產(chǎn)、體育設(shè)施等建筑設(shè)計(jì)，以及服裝、影視動(dòng)畫、生物醫(yī)學(xué)圖像處理等，都能看到其廣泛的應(yīng)用。自然景物建模追求建模的逼真度和速度，主要解決自然世界中難以用幾何模型描述的現(xiàn)象和景觀的建模，例如毛發(fā)、水波、煙霧、火焰、雨雪、大氣、植被等，已有的建模方法包括粒子系統(tǒng)、分形幾何、隱式曲面、過(guò)程建模、基物理的建模等。隨著三維掃描技術(shù)的提高和數(shù)碼相機(jī)的普及，最近幾年，數(shù)字幾何處理和基于圖像（視頻）的建模成為圖形建模熱點(diǎn)研究方向之一[7]。此外，計(jì)算機(jī)圖形建模技術(shù)的研究已經(jīng)突破物體幾何屬性建模的狹義范疇，還擴(kuò)展到物體非幾何屬性的建模，例如紋理、材質(zhì)、運(yùn)動(dòng)等[8]?！　?）繪制技術(shù)　　計(jì)算機(jī)圖形繪制技術(shù)是指根據(jù)物體幾何模型、材質(zhì)、燈光和攝像機(jī)等通過(guò)計(jì)算機(jī)生成對(duì)應(yīng)的圖像，其中包括各種光照模型、明暗處理和紋理映射等內(nèi)容。圖形繪制的基本思想可統(tǒng)一到繪制方程，該繪制方程體現(xiàn)了光線和物體之間的交互作用，包括物體表面對(duì)光的吸收、折射、反射等。圖形繪制技術(shù)可以分為真實(shí)感圖形繪制和實(shí)時(shí)圖形繪制兩大分支。這體現(xiàn)了圖形繪制追求的目標(biāo)，即真實(shí)感和繪制速度，而追求兩者的統(tǒng)一則是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)永恒的目標(biāo)，也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。真實(shí)感圖形繪制力求繪制得到逼真的圖像，盡可能達(dá)到照片級(jí)的逼真度（photmealism），使觀察者有身臨其境的感覺(jué)。真實(shí)感圖形繪制的研究?jī)?nèi)容主要包括光照明模型（以整體光照明模型為主）、繪制方法（如光線跟蹤方法、輻射度方法）_9]、復(fù)雜光學(xué)現(xiàn)象的模擬（如鏡面反射、半透明、環(huán)境遮擋、動(dòng)態(tài)軟影）以及自然場(chǎng)景的真實(shí)感繪制（如水波、大氣、雨雪）等。實(shí)時(shí)圖形繪制要求以有限計(jì)算能力，在有限時(shí)間內(nèi)，完成任意復(fù)雜三維場(chǎng)景的繪制，一般要求繪制速度達(dá)到15～30幀／s。實(shí)時(shí)圖形繪制的研究?jī)?nèi)容主要包括兩點(diǎn)：一是提高圖形硬件繪制性能；二是設(shè)計(jì)軟件加速繪制算法。GPU處理性能的提高和可編程功能的豐富，使得利用GPU并優(yōu)化繪制流水線成為達(dá)到實(shí)時(shí)繪制性能的一個(gè)重要途徑?！　　?/pre>








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