浅析虚拟现实应用中的并行渲染技术

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1、浅析虚拟现实应用中的并行渲染技术论文关健词：虚拟现实并行渲染负载平衡　归属判断论文摘要：虚拟现实应用要求图形系统具备实时渲染复杂、精细场景的能力。基于PC机群的并行渲染系统具有性价比高、扩展性好的特点，适合虚拟现实应用。该文针对虚拟现实应用设汁并实现了一个保留模式的sort—first并行实时渲染系统，对影响渲染性能的关键因素进行研究，给出具体实现步骤、试验验证数据和结论。应用表明，该方法能够实现系统的高效并行计算及虚拟现实应用中的复杂场景实时处理。中国编辑。1概述虚拟现实技术已广泛应用于车辆仿真、

2、建筑预排、计算机辅助设计以及科学可视化等领域。随着图形图像硬件和软件的发展，人们对应用的交互性和现实感提出了越来越高的要求：在满足实时性(每秒30帧)和低延迟的同时，需要构造更加逼真、精细的三维复杂场景，其数据规模日益膨胀，有时还需要满足多通道输出等特殊的应用要求。基于PC机群的并行渲染技术以其性价比高、兼容性好、扩展灵活等特点，成为虚拟现实实时显示研究的新方向。随着PC系统上图形卡渲染能力的提高和千兆网络的出现，建立在高速网络连接的PC工作站集群上的并行渲染系统具有良好的性价比和更好的可扩展性，得

3、到越来越广泛的应用。图形计算任务的描述非常简单：给定一个环境下所有物体的数学模型，系统计算每个模型对于给定可视面上每个像素的作用，这就是图形流水线。Sutherland，Sproull和Schurnacher于1974年提出从数据分配(sorting)角度对并行渲染进行研究。依据从对象空间到屏幕空间转换过程中的渲染任务发生时间点，文献【1】将并行渲染方法分为类：sort—firstsort—middle和sort—last，该理论成为并行图形渲染和分布图形渲染研究的里程碑。sort—first方式在

4、图形流水线的开始阶段就将图元分配到各渲染节点；sort—middle在几何变换与光栅化之间重新分布图元；sort—last则在流水线的最后重新分布像素。sort—middle和sort—last方式都在一定程度上符合图形流水线的自然形态，因此，适合硬件实现，如SGI的RealityEngine和InfiniteReality是sort—middle系统，HP与UNC合作的PixelFlow是典型的sort、last系统J。sort—first方式能充分利用已有的渲染资源，相对其他种方式通信量较小，因

5、此适合软件实现，构建基于机群的分布式并行渲染系统。浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发的AnyGL是一个sort—first和sort—last混合的支持大规模分布的并行渲染系统。系统结构本文设计了一个基于PC机群的保留模式sortfirst并行渲染系统。该系统的各个节点均配有高端普通图形显示卡，采用千兆以太网交换机进行互连，期望以较低的成本达到大型专有系统的性能，并且具有更强的灵活性和可扩展性。其基本工作模式为“归属判断一渲染一同步显示”。这种设计能充分利用帧问相似性，减少网络开销。与另种方式相

6、比，sortfirst最大的特点是对图形流水线介入较浅。图1为系统硬件结构，系统由一个用户服务节点和一个图形计算机子系统组成。后者包含很多处理节点，这些节点实时处理图像。(1)用户服务节点：负责渲染节点之间的协调，接收用户输入，传送命令，执行负载平衡任务。(2)渲染节点：拥有全部场景数据。根据视点的改变和负载平衡计算结果自适应地判断面片归属，根据统一位姿指令执行渲染任务，提取图像像素数据并发送给图像服务节点。(3)图像服务节点：接收渲染节点输入像素数据，合成像素数据，输出图像信息到投影设备。系统在原

7、始数据输入后及顶点变换前对计算任务进行分配。其工作模式如下：Stepl用户服务节点执行负载平衡计算。Step2根据负载平衡结果，渲染节点确定图元归属。Step3渲染节点执行渲染服务，提取像素数据并发送。Step4图像处理节点接收像素数据，执行图像拼合。Step5输出到投影设备并显示。负载平衡是sort—first架构面对的最大问题。在实际应用中，图元的屏幕划分是高度可变的，为了达到很好的负载平衡效果，必须深入研究渲染节点的屏幕分配策略。另外，图元的跨屏幕分布带来的重复渲染也会导致渲染效率的降低。为了

8、便于讨论，以一台应用主机和一个图形计算子系统为例。后者由几个渲染节点及一个图像处理节点组成，渲染节点实时渲染图像，图像处理节点负责显示。显示模型数据库开始即被分配到所有渲染节点，因此，为保留模式。关键技术．1系统并行性多边形渲染是一种“近似易并行”的计算，其特点是适合并行，但需要计算任务的分布和收集计算结果，并用某种方式加以组合。对多边形渲染算法引入并行的方法有种：功能并行和数据并行。．1．1数据并行并行渲染应用要求在图形流水线的几何转换和光栅化阶段都进行并行化。对于