陳衡

【摘要】 在科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新和廣泛應(yīng)用的影響下，三維地形場景并行渲染技術(shù)不僅能夠?qū)Φ匦螖?shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，而且能夠保證并行數(shù)據(jù)調(diào)度機(jī)制的合理運(yùn)行，本文對三維地形場景并行渲染技術(shù)進(jìn)行分析，并且對其當(dāng)前應(yīng)用過程中存在的問題進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】 三維地形場景 并行渲染技術(shù) 研究

當(dāng)前在我國科學(xué)技術(shù)不斷快速發(fā)展以及更新的影響下，現(xiàn)代測繪以及遙感技術(shù)的發(fā)展空間越來越大，空間數(shù)據(jù)的獲取數(shù)量相比之前有了一定程度的增長，而我國已經(jīng)逐漸向數(shù)字化社會(huì)時(shí)代發(fā)展。從目前的整體形勢來看，我國當(dāng)前已經(jīng)從數(shù)字城市逐漸到數(shù)字中國，甚至到數(shù)字地球，地形數(shù)據(jù)都在保持不斷增長的狀態(tài)，而現(xiàn)如今，如何切實(shí)有效的實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的三維地形場景高性能渲染技術(shù)是非常重要的問題之一，實(shí)現(xiàn)三維地形場景并行渲染技術(shù)不僅能夠建立虛擬現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)，而且能夠建立有關(guān)三維地理信息的系統(tǒng)等等，這些技術(shù)性的問題都是當(dāng)前非常重要的內(nèi)容。雖然已經(jīng)有很多學(xué)者對高檔圖形工作站的三角形進(jìn)行實(shí)時(shí)的繪制，但是由于地形的數(shù)據(jù)數(shù)量相當(dāng)?shù)凝嫶?，其自身的?nèi)存管理以及實(shí)時(shí)繪制能夠都不能夠滿足地形數(shù)據(jù)的需求，所以地形場景高性能渲染技術(shù)的研究需要更加的深入。

一、地形場景高性能渲染技術(shù)

地形場景高性能渲染技術(shù)在實(shí)際的應(yīng)用過程中，主要是根據(jù)兩個(gè)方面來進(jìn)行，首先，地形場景高性能渲染技術(shù)需要通過對地形場景的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的組織以及調(diào)度，在保證瀏覽效果的同時(shí)，能夠切實(shí)有效的控制參與渲染的數(shù)據(jù)量，從根本上對其形成嚴(yán)格的控制；另外地形場景的高性能渲染技術(shù)是采用加速渲染的手段來進(jìn)行，這樣有效的增加單位時(shí)間內(nèi)三維地形的整體場景數(shù)據(jù)處理量，從而保證數(shù)據(jù)的處理效率和處理質(zhì)量。

地形場景高性能渲染技術(shù)在簡化地形場景數(shù)據(jù)量的方面，一主要是利用LOD的方式來進(jìn)行，LOD方式可以說是當(dāng)前大規(guī)模條件下三維地形場景渲染的重點(diǎn)研究項(xiàng)目之一，而在實(shí)際的應(yīng)用過程中，加速渲染主要是利用軟硬件的加速來實(shí)現(xiàn)其自身的加速，比如GPU加速技術(shù)、儲(chǔ)存訪問優(yōu)化技術(shù)等等，其中還包括并行渲染技術(shù)，而在各種各樣的技術(shù)當(dāng)中，并行渲染技術(shù)可以說是軟件加速方法當(dāng)中最重要的組成部分之一，也是不可缺少的一項(xiàng)技術(shù)[1]。

二、并行渲染的分類和實(shí)現(xiàn)平臺(tái)

2.1并行渲染的分類體系

2.1.1基于數(shù)據(jù)調(diào)度和功能實(shí)現(xiàn)方式的分類分析

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)當(dāng)中的并行渲染技術(shù)主要是為了能夠給三維地形提供渲染理論和技術(shù)基礎(chǔ)，而在實(shí)際的應(yīng)用過程中，并行渲染的數(shù)據(jù)算法主要分為兩種，一種是數(shù)據(jù)并行算法，而另外一種則是功能并行算法。并行渲染的數(shù)據(jù)并行算法主要是在實(shí)際的計(jì)算過程中，將模型數(shù)據(jù)劃分成為多個(gè)數(shù)據(jù)流，之后給每一個(gè)數(shù)據(jù)流都分配相對應(yīng)的圖形處理單元，這樣保證每一個(gè)數(shù)據(jù)流都能夠執(zhí)行繪制任務(wù)，保證多個(gè)繪制過程共同執(zhí)行的效果，在多個(gè)繪制過程共同實(shí)現(xiàn)的過程中，不僅包括對象并行，而且還包括圖形并行，這樣能夠有效的提高繪制效率，并且能夠保證繪制質(zhì)量。而并行渲染的另外一個(gè)算法是功能并行算法，這種算法主要是將繪制流水線進(jìn)行有效的分解，并且分解成不同的執(zhí)行模塊，在實(shí)際的操作過程中，各個(gè)模塊可以順序性的處理各種各樣不同的數(shù)據(jù)，而模塊之間能夠形成并行執(zhí)行的狀態(tài)，所以功能并行在一定程度上也可以稱之為流水線并行[2]。在三維地形場景當(dāng)中，上述兩種并行方式可以相互配合混合使用，另外，在動(dòng)畫影視領(lǐng)域當(dāng)中經(jīng)常會(huì)使用到時(shí)間的并行算法，時(shí)間并行算法主要是指對于不同的圖象處理單元需要負(fù)責(zé)不同幀的圖象生成，如圖1即為數(shù)據(jù)并行、功能并行以及集成并行的示意圖，其中P代表渲染點(diǎn)、G則是代表幾何的整個(gè)處理階段、而R則是代表著像素的整體處理階段。

2.2實(shí)現(xiàn)平臺(tái)

1、高性能計(jì)算機(jī)。為了能夠充分的保證高性能圖形工作站以及并行計(jì)算機(jī)的合理應(yīng)用，能夠有效實(shí)現(xiàn)兩者的平臺(tái)就是高性能的計(jì)算機(jī)，而高性能的圖形工作站不僅具有多個(gè)CPU，而且還具備高性能的GPU，并且能夠?qū)⒃谌粘．?dāng)中使用的并行渲染技術(shù)集成到硬件的使用過程當(dāng)中。而并行計(jì)算機(jī)不僅具備高通信寬待的能力，而且在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，所以其自身在并行計(jì)算機(jī)領(lǐng)域當(dāng)中被廣泛應(yīng)用的同時(shí)，在圖形并行渲染方面也被大力的宣傳和應(yīng)用。而在高性能圖形工作站以及并行計(jì)算及的并行繪制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過程中，兩者主要是為了能夠針對一些比較高端的圖形應(yīng)用來進(jìn)行，其中還包括一些平臺(tái)設(shè)計(jì)、或者是一些具有特殊特點(diǎn)的應(yīng)用，這種系統(tǒng)的可拓展性相對來說比較差，并且其自身的設(shè)備比較的昂貴，導(dǎo)致需要投入的資金金額比較大，所以在當(dāng)前的市場上很難做到普及[3]。

2、計(jì)算機(jī)集群。計(jì)算機(jī)集群是建立在高速網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的工作站或者是PC集群，其自身具有并行機(jī)的優(yōu)勢和特點(diǎn)，并且具有多CPU的特征，是能夠保證三維圖形構(gòu)建的有效措施之一，并且能夠構(gòu)建并行繪制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)集群的靈活性能相對來說比較高，并且其自身的拓展性也比較良好，不僅有利于構(gòu)建混合系統(tǒng)，而且能夠保證工作效率和質(zhì)量的整體提高，計(jì)算機(jī)集群并行繪制系統(tǒng)的自身特點(diǎn)相對來說比較多，其中包括其自身的性價(jià)比比較高、可擴(kuò)展性能比較良好，如今如此，計(jì)算機(jī)集群的并行繪制系統(tǒng)的升級(jí)相對來說比較的方便，并且能夠其自身的適用性比較的廣泛，但是在實(shí)際的使用過程中，仍然受到網(wǎng)絡(luò)寬待的限制，所以這也間接的導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信成為渲染性能的阻礙影響。

3、多核微機(jī)。高性能計(jì)算機(jī)以及計(jì)算機(jī)集群這兩種并行渲染實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，由于其自身的設(shè)備比較的昂貴，并且規(guī)模相對來說比較的龐大，所以對于個(gè)人使用來說，并不是很合適，而當(dāng)前個(gè)人用戶對于三維圖形逼真度的要求也在不斷的提高，在這種形勢下，微機(jī)平臺(tái)上的并行渲染逐漸成為人們廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)之一，但是當(dāng)前多核微機(jī)并行渲染系統(tǒng)仍然處于探究、研發(fā)的階段。

三、地形場景數(shù)據(jù)并行調(diào)度

在實(shí)際的操作過程中，因?yàn)槿S地形場景的數(shù)據(jù)規(guī)模相對來說比較的龐大，所以在實(shí)際的系統(tǒng)繪制過程中，并不可能一次性的將所有的數(shù)據(jù)都加載到內(nèi)存當(dāng)中進(jìn)行妥善的處理，所以在這種形勢下，就需要對地形數(shù)據(jù)進(jìn)行分頁或者是分塊的處理方式，并且能夠建立相對應(yīng)的地形空間索引的方法，這樣能夠切實(shí)有效的保證地形數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)裝載，從而實(shí)現(xiàn)地形場景數(shù)據(jù)的并行調(diào)度。而在實(shí)際的操作過程中，利用地形數(shù)據(jù)的分頁或者是分塊方式不僅能夠有效的保證數(shù)據(jù)的并行調(diào)度有序展開，而且對于紋理的處理以及并行繪制方面來說都提供了一定的便利條件。其中數(shù)據(jù)分頁的方法主要是指將地形數(shù)據(jù)劃分成為多個(gè)數(shù)據(jù)頁，并且將每一個(gè)數(shù)據(jù)頁都作為地形場景當(dāng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)；而數(shù)據(jù)分塊則是指地形數(shù)據(jù)在被劃分成為數(shù)據(jù)頁之后，對其進(jìn)行多個(gè)數(shù)據(jù)塊的劃分，并且將這些數(shù)據(jù)塊作為數(shù)據(jù)調(diào)度的最小單位，這樣能夠保證數(shù)據(jù)頁和數(shù)據(jù)塊的相互配合和作用[4]。但是在實(shí)際的操作過程中，由于地形的分塊粒度會(huì)受到各種各樣因素的限制，而分塊的粒度大小都會(huì)直接對系統(tǒng)的效率產(chǎn)生影響，所以當(dāng)前并沒有實(shí)質(zhì)性的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)定分塊的大小。

在實(shí)際地形場景數(shù)據(jù)調(diào)度的過程中，普遍情況下都會(huì)利用緩存技術(shù)，緩存技術(shù)主要是根據(jù)渲染的需求，將即將進(jìn)行渲染的地形數(shù)據(jù)塊從外存妥善的調(diào)入到緩存當(dāng)中，并且在實(shí)際的繪制過程中，將需要渲染的地形數(shù)據(jù)塊有緩存再調(diào)入到內(nèi)存當(dāng)中，在兩者準(zhǔn)備完成之后，可以同時(shí)釋放掉內(nèi)存當(dāng)中并不需要的地形數(shù)據(jù)塊，這樣能夠保證不占內(nèi)存。在數(shù)據(jù)的實(shí)際調(diào)度過程中，一般情況下都會(huì)采用多線程技術(shù)來對內(nèi)存以及緩存當(dāng)中的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行維護(hù)，從而有效的解決在緩沖區(qū)以及內(nèi)存當(dāng)中數(shù)據(jù)的整體更新問題，而在實(shí)際的地形數(shù)據(jù)渲染過程中，由于數(shù)據(jù)的調(diào)度線程以及數(shù)據(jù)的繪制線程是處于并行處理的狀態(tài)，所以能夠從根本上有效的提高地形渲染的整體性能[5]。

四、地形場景的并行渲染架構(gòu)

4.1分布式渲染

在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展、分布式計(jì)算機(jī)技術(shù)以及三維可視化技術(shù)的快速更新發(fā)展的影響下，在一定程度上為分布式的三維GIS技術(shù)能夠了一定的契機(jī)，在實(shí)際的操作過程中，為了能夠切實(shí)有效的針對大規(guī)模真實(shí)感的三維地形渲染所帶來的性能負(fù)擔(dān)，現(xiàn)如今已經(jīng)有越來越多的三維瀏覽系統(tǒng)利用分布式的方式來對三維地形進(jìn)行渲染，這不僅是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一，同時(shí)也是研究難點(diǎn)。

4.1.1客戶端、服務(wù)器模式

在分布式的渲染方式中，主要包括服務(wù)器和客戶端兩個(gè)方面，其中服務(wù)器主要是為了能夠針對客戶端所發(fā)送的一系列請求進(jìn)行接受和處理，并且對三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分辨率、數(shù)據(jù)壓縮以及編碼等一系列的處理工作，服務(wù)器在三維渲染系統(tǒng)當(dāng)中可以說是起到一個(gè)數(shù)據(jù)建模以及傳輸?shù)淖饔?；而客戶端主要是為了能夠保證模型數(shù)據(jù)的渲染，并且對其自身相對應(yīng)的解壓縮以及重建工作，而在實(shí)際的應(yīng)用過程中，客戶端和服務(wù)器為了能夠保證三維渲染系統(tǒng)的有效實(shí)現(xiàn)，利用的是數(shù)據(jù)處理與渲染過程分離的方式來進(jìn)行并行渲染。

4.1.2微機(jī)集群模式

在微機(jī)集群模式不斷開發(fā)和利用的影響下，現(xiàn)如今大規(guī)模的三維地形也逐漸開始利用微機(jī)集群的模式來進(jìn)行并行渲染，微機(jī)集群模式主要是利用主從結(jié)構(gòu)來進(jìn)行，也就是利用主控節(jié)點(diǎn)來對整個(gè)顯示系統(tǒng)進(jìn)行宏觀的調(diào)控，比如網(wǎng)絡(luò)通信以及任務(wù)的分配等等，利用各個(gè)子節(jié)點(diǎn)來將場景拼接成為一個(gè)完整的顯示圖象，但是微機(jī)集群模式是需要依賴網(wǎng)絡(luò)傳輸寬待才能夠進(jìn)行工作，其自身的性能完全的受制于網(wǎng)絡(luò)[6]。但是最近幾年，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，P2P技術(shù)的出現(xiàn)，將微機(jī)集群模式的主控節(jié)點(diǎn)分配到可以直接處理模型數(shù)據(jù)以及客戶端的請求方面，并且在數(shù)據(jù)的實(shí)際傳輸過程中，模型數(shù)據(jù)可以利用多個(gè)客戶端之間相互分發(fā)所需要的數(shù)據(jù)的方式，利用這種方式不僅能夠有效的解決之前主控節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)過重的問題，而且能夠從根本上降低微機(jī)集群模式對于網(wǎng)絡(luò)的依賴性。

五、并行渲染技術(shù)現(xiàn)存的問題分析

1、根據(jù)上述內(nèi)容不難看出，分布式特別是微機(jī)集群模式的并行渲染技術(shù)，在實(shí)際的渲染系統(tǒng)運(yùn)行過程中，圖形的渲染過程需要大量的數(shù)據(jù)傳輸，而當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)寬待很難滿足這種大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸，所以分布式以及微機(jī)集群模式的并行渲染技術(shù)，在當(dāng)前仍然受到網(wǎng)絡(luò)款待的嚴(yán)重限制，并行渲染系統(tǒng)的功能性并不能夠切實(shí)有效的發(fā)揮出來。

2、而利用微機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)三維地形場景并行渲染技術(shù)，主要是在操作系統(tǒng)提供多線程機(jī)制的條件下才能夠切實(shí)有效的展開，但是其自身并不能夠針對多核CPU或者是GPU的特點(diǎn)來形成專門的技術(shù)體系，導(dǎo)致其自身在應(yīng)用的過程中，也受到一定的局限。

3、當(dāng)前針對三維地形場景并行化的研究主要是渲染的管線部分實(shí)現(xiàn)并行，但是對于渲染管線的整體并行方面的研究力度仍然不足，缺少一定的理論支持以及技術(shù)討論[7]。

六、三維地形場景并行渲染的未來發(fā)展趨勢分析

1、計(jì)算機(jī)集群由于其自身的性價(jià)比以及可拓展性都比較好，并且升級(jí)方便、適用性也比較的廣泛，所以在未來并行渲染技術(shù)發(fā)展的過程中，計(jì)算機(jī)集群可以逐漸成為大規(guī)模三維地形場景并行渲染的主要展現(xiàn)方式之一，對其進(jìn)行的研究也就不斷的重視起來，而對于網(wǎng)絡(luò)寬待的問題研究也將持續(xù)進(jìn)行，這樣才能夠有效的緩解當(dāng)前計(jì)算機(jī)集群在三維地形場景并行渲染應(yīng)用過程中的一系列問題[8]。

2、多核微機(jī)平臺(tái)在其自身的未來發(fā)展趨勢中將會(huì)成為能夠?qū)崿F(xiàn)三維地形并行渲染大規(guī)模三維場景的一個(gè)重要研究方向以及發(fā)展方向，由于多核微機(jī)和高性能圖形工作站以及并行計(jì)算及的體系結(jié)構(gòu)方面存在著一定的差異性，由于高性能計(jì)算機(jī)的并行渲染算法不能夠直接應(yīng)用到多核微機(jī)當(dāng)中，所以針對多核微機(jī)的并行渲染平臺(tái)需要根據(jù)其自身的實(shí)際情況、組織調(diào)度以及相對應(yīng)的方式方法來推行符合其自身的新型并行渲染算法。

結(jié)束語：當(dāng)前，在大規(guī)模三維地形場景高性能渲染系統(tǒng)的開發(fā)以及應(yīng)用過程中，主要是利用分布式的機(jī)制來切實(shí)有效的實(shí)現(xiàn)并行渲染，從根本上提高渲染性能，并且將并行渲染的作用力充分的發(fā)揮出來，而微機(jī)平臺(tái)可以說是三維地形場景當(dāng)中使用最多的客戶端平臺(tái)，而在當(dāng)前CPU以及高性能GPU自身儲(chǔ)存量的不斷提高，在微機(jī)上實(shí)行并行渲染也已經(jīng)具備了一定的實(shí)現(xiàn)條件。

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