基于场景图的并行渲染系统研究与实现

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1、基于场景图的并行渲染系统研究与实现基金项目：河南省自然科学基金“虚拟现实建模技术的研究与应用”(0611051900)作者简介：谭同德（1950-），男，汉族，博士，教授，主要研究方向为计算机图形学、虚拟现实、CAD。秦鑫（1985-），男，汉族，硕士研究生，主要研究虚拟现实。联系方式：秦鑫，郑州大学新校区信息工程学院8106信箱，450001，sheng169@yahoo.com.cn谭同德,秦鑫,赵新灿,张关锋(郑州大学信息工程学院,郑州450001)摘要：为满足大规模虚拟现实应用在渲染速度和显示分辨率等方面的要求，提出基于场景图技术的并行渲染，使用PC集群构建了高性价比的分布式

2、图形系统。利用场景图在视景体内的快速裁剪技术，有效提高图元的归属判断速度。研究了OpenFlight格式与sort-first任务粒度划分的关系，基于场景图的层次结构来划分图元组。在保留模式下实现了一个基于场景图的sort-first原型系统，并用软件方式实现了多显示通道的无缝拼接。该系统同时考虑了CPU的功能并行和GPU的数据并行，提升了大规模场景漫游时的运行速度。关键词：场景图；sort-first；归属判断；粒度中图分类号：TP391.9文献标示码：A0引言大规模场景漫游系统等沉浸式虚拟现实应用，常常要求计算机图形系统具有很高的图形绘制速度，并能输出高分辨率的大屏幕的立体显示。

3、然而孤立的图形处理系统，在几何数据的产生、图形计算、几何指令发射和显示分辨率等四个方面的能力受到限制[1]。许多专业的图形工作站由于价格过于昂贵，使得一般用户无法承担。因此，选用廉价的PC集群来构建并行渲染系统，具有较高的性价比和良好的可扩展性。传统的图形渲染流水线可以划分为几何变换处理和光栅化两个阶段。按照并行渲染操作介入到渲染流水线的位置，并行渲染系统的体系结构分为sort-first、sort-middle和sort-last三种[2]。其中，sort-first结构的并行渲染在几何处理阶段通过预变换判断图元对象在屏幕上的对应位置，然后通过局域网将图元对象发送到不同的图形渲染流

4、水线进行渲染，每条渲染流水线负责屏幕上的一块区域的图像，最后将每条渲染流水线的渲染结果合成为最终所要得到的图像。Sort-first结构最大程度的保持了图形渲染流水线的完整性，易于使用软件实现，并且可以很方便的用于多通道的大屏幕显示，很多集群并行渲染系统都采用了sort-first的体系结构。如WireGL[1]是第一个sort-first结构并独立于硬件平台的完备的集群图形绘制系统；Princeton大学的ScalableDisplayWall[3]采用多屏幕拼接技术达到高分辨率的显示效果，实现分辨率的可扩展性；浙江大学CAD&CG国家重点实验室的AntForce[4]是一个数据分

5、布型的sort-first并行图形渲染原型系统。Sort-first的每个渲染通道只负责屏幕一定区域的渲染工作，很适合用于多投影仪的大屏幕显示。在多通道投影系统中必须解决边缘融合的问题，以有效消除多投影仪之间的拼接缝隙，使拼接后的画面自然统一，更具整体感和现实感。本文结合场景图技术，重点研究了sort-first并行渲染中的图元归属判断和任务粒度划分两个问题。本文还在保留模式的分布式环境中实现了一个原型系统，使用软件的方式实现了大屏幕多投影仪的无缝拼接。1场景图技术与sort-first图元归属判断1.1场景图技术简介图1场景图示例Fig.1ExampleofSceneGraph场景

6、图(scenegraph)是一种描述三维场景的数据结构，它是一个有向非循环图(DirectedAcyclicGraph,DAG)，是一种类似于树的数据结构，如图1所示。场景图的节点分为组节点和叶子节点，其中组节点对应于树结构的内部节点，如图1中的建筑1和房间2都是组节点，走廊和房间则为叶子节点。对场景的更新、裁剪和绘制等操作，都通过对场景图的遍历来完成。OSG(OpenSceneGraph)[5]是一款日益流行的优秀开源场景图管理工具。它使用标准C++语言和OpenGL编写，能运行在多种操作系统平台上，广泛应用在可视化仿真、游戏、虚拟现实、科学可视化、地理信息系统以及建模等领域。OS

7、G还是一个高性能的图形库，它支持视景体剔除、隐藏面剔除、细节层次(LOD)、状态排序(statesorting)、顶点数组、顶点缓冲对象、OpenGL着色语言和显示列表等技术。1.2图元归属判断场景图为优化图形性能主要提供了裁剪和状态分类两项技术；其中裁剪操作的主要功能是剔除不在屏幕上出现的图形对象。场景图的层次结构，使得其裁剪操作非常高效；比如图1所示的场景图中，父节点建筑物下面有一些房间子节点，在访问到房间之前，整幛建筑物可能已经被裁剪掉，这样就节省了