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(chǎng)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(duì)三維地形場(chǎng)景并行渲染技術(shù)進(jìn)行分析，并且對(duì)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(chǎng)景 并行渲染技術(shù) 研究

當(dāng)前在我國(guó)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(cè)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(zhǎng)，而我國(guó)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(shì)來看，我國(guó)當(dāng)前已經(jīng)從數(shù)字城市逐漸到數(shù)字中國(guó)，甚至到數(shù)字地球，地形數(shù)據(jù)都在保持不斷增長(zhǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)景高性能渲染技術(shù)的研究需要更加的深入。

一、地形場(chǎng)景高性能渲染技術(shù)

地形場(chǎng)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(chǎng)景高性能渲染技術(shù)需要通過對(duì)地形場(chǎng)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(duì)其形成嚴(yán)格的控制；另外地形場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)景高性能渲染技術(shù)在簡(jiǎn)化地形場(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(shì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)來說比較的龐大，所以對(duì)于個(gè)人使用來說，并不是很合適，而當(dāng)前個(gè)人用戶對(duì)于三維圖形逼真度的要求也在不斷的提高，在這種形勢(shì)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(chǎng)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(chǎng)景的數(shù)據(jù)規(guī)模相對(duì)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(shì)下，就需要對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行分頁(yè)或者是分塊的處理方式，并且能夠建立相對(duì)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(chǎng)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(yè)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(duì)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(yè)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(yè)，并且將每一個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)都作為地形場(chǎng)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(yè)之后，對(duì)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(yè)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)客戶端所發(fā)送的一系列請(qǐng)求進(jìn)行接受和處理，并且對(duì)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(duì)其自身相對(duì)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(duì)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(chǎng)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(qǐng)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(duì)三維地形場(chǎng)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(duì)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(chǎng)景并行渲染的未來發(fā)展趨勢(shì)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(chǎng)景并行渲染的主要展現(xiàn)方式之一，對(duì)其進(jìn)行的研究也就不斷的重視起來，而對(duì)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(chǎng)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(shì)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)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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