973项目结题总结报告

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1、973项目结题总结报告项目名称：虚拟现实的基础理论、算法及实现课题编号：2002CB312106课题名称：分布式虚拟环境子课题名称：分布并行图形绘制技术及系统子课题负责人：石教英一、子课题任务与研究内容课题任务书中明确本子课题的任务是：“为了保证实时图形绘制质量并保证系统的时间真实感，研究高性能并行、分布图形绘制流水线，使得系统在图形质量和绘制实时性之间达到较好的平衡，特别将研究软硬件相结合的、几何和纹理动态自适应转换的分布图形绘制技术、场景信息的实时压缩和传输技术，解决大规模虚拟场景的高保真实时绘制问题”。研究内容包括“研究规

2、模可扩展的高性能分布并行图形绘制体系结构，及其并行绘制算法”，“研究分布并行图形绘制系统的负载平衡算法，高效数据流压缩和传输技术、同步策略以及高分辨率分屏显示技术，设计并实现一个自适应的任务划分方法”，“对分布并行图形绘制的理论和算法研究，进一步改进分布并行绘制系统的体系结构和算法性能”，“研究开发新型分布式并行图形绘制原型系统”。概括的说本子课题的任务是研究适用于分布式虚拟环境的实时高质量的图形绘制技术与系统。分布式虚拟环境图形绘制具有以下特点：（1）分布式虚拟环境所包含的虚拟场景一般规模较大，例如覆盖超过1000平方公里的复

3、杂地理环境，实时绘制大规模虚拟场景需要很大的绘制能力；（2）分布式虚拟环境所包含对象的数据类型比较复杂，包括静态对象和动态对象，静态对象又包含地形、海洋、建筑等不同类型的模型，动态对象往往具有比较复杂的属性；（3）分布式虚拟环境中一般存在仿真系统数据结构和图形绘制系统数据结构两套数据集合，数据管理复杂，并且其中部分数据结构冗余；（4）分布式虚拟环境多采用高分辨率投影墙作为观察终端，这种类型的显示设备具有绘制数据量大、显示分辨率高、任务划分方式相对固定等特点；（5）分布式虚拟环境具有广泛的分布特征，例如数据来源、参与用户、仿真计算

4、节点、终端显示节点都具有分布特征。二、子课题研究成果介绍针对课题任务书中的内容和分布式虚拟环境图形绘制的特点，我们完成了一个“分布并行图形绘制系统”，我们的研究成果主要包括：（1）完成新型的基于动态绘制组的混合式自适应并行绘制体系结构（见图1和图2），以及基于节点迁移的负载平衡策略。该项技术可扩性好，具有特别适用于采用多屏拼接显示VR应用的特点。动态绘制组是本体系结构的基本绘制功能单元，由数目可变的PC节点组成，包括一个主节点和数量可变的从节点。各动态绘制组之间按sort-first并行绘制流程工作。动态绘制组内部主从节点间的并

5、行绘制工作流程由主节点确定，可以在sort-first和sort-last两种工作流程之间自动切换，以适应不同图元分布状态，达到最佳并行绘制性能。基于节点迁移的负载平衡策略对图像空间的划分固定不变，通过调整对应图像区域的动态绘制组的计算能力，对从节点在各动态绘制组之间进行迁移，以适应负载变化。负载平衡算法开销小、速度快，负载平衡性能测试结果见图3。图1基于动态绘制组的并行绘制体系结构图2复式嵌套并行绘制流水线图3负载平衡性能测试结果（2）完成多种图形绘制加速技术的研究与集成，支持大规模虚拟场景的实时绘制，保证并行图形绘制系统的交

6、互性能。我们研究与集成的多种加速绘制技术包括基于预测的可见性剔除（见图4）、并行简化与多分辨率构建（见图5）、存储访问优化技术（见图6）、面向并行绘制的网格压缩和条带化技术（见图7）等。基于预测的可见性剔除技术充分挖掘可见性的时空连贯性，采用可见性预测器来选择执行硬件遮挡查询，具有预处理时间短、遮挡剔除效率高、遮挡剔除速度快等优点。并行简化与多分辨率构建技术采用基于基准测试的资源管理和动态任务划分机制，能有效降低网格简化和多分辨率表示的预处理时间。存储访问优化技术结合外存访问优化和缓存访问优化两种技术，支持大规模场景数据的按需调

7、度，能有效减少绘制访问缓存失效率。提出支持网格分片随机存取的三角形网格压缩框架，可见性连贯的三角形单条带化压缩技术，以及混合模式缓存优化的三角形条带化压缩技术，可以提高并行绘制环境下场景数据的传输和调度效率。图4可见性预测器原理和基于分层缓冲区的场景排序图5并行简化的动态任务管理机制及测试性能结果图6基于优先权的外存数据管理和调度策略图7基于分片保拓扑曲面片压缩的压缩率测试结果和采用压缩数据并行绘制结果（3）完成支持异构场景数据的场景组织框架（见图8）和支持HLA仿真平台和并行图形绘制平台集成的统一对象模型（见图9），可以支持不

8、同类型的上层应用，能有效支持与分布式仿真系统的集成。异构场景数据组织框架核心为异构场景图，该场景图对普通场景图定义方式进行扩充，以面向对象方式提出了一整套数据管理的解决方案。异构数据场景图基本节点不定义与应用相关的场景数据结构，只定义一套并行绘制接口规范，不同场