场景图形设计

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1、多线程，多显示场景图形设计：一种新的过程模型作者：DonBurns，2001译者：王锐，2008新的设想场景图形的主要目的是改善场景优化，渲染状态排序和各种其它操作的性能，降低图形渲染引擎的负荷，并实现复杂场景的“实时”渲染。实时渲染的目标是以足够高的帧速（符合人眼的交互要求）渲染场景。飞行模拟程序通过窗口输出（out-the-window）的图像生成频率要求为60Hz或者更高，这样显示的内容才不会发生异常。而30Hz，20Hz或者15Hz的频率则是“可交互”的，即，视口可以交由用户进行操控，并在合适的时间响应用户的输入。基于这些目标，我们需要

2、参照帧速60Hz的仿真要求实现我们的设计。我们假定帧速率恒定，且图形子系统针对垂直消隐时间（verticalblankingtime，即电子枪扫描完一帧之后返回原点的时间）与渲染交换缓冲区（renderingbufferswap）执行同步的能力恒定。此外，我们还假定多显示的系统已经实现了同步锁相（genlock），至少实现了帧锁相（framelock，借助硬件使每个显示屏上的帧实现同步），这样就可以实现垂直回描边界（verticalretraceboundary，即电子枪扫描完一帧之后返回的边界）在所有图形子系统上的同步。多任务，多显示，单系统

3、绘图的传统方法使用场景图形实现实时渲染的“传统”方法是实现多个阶段，即：APP（用户阶段），CULL（拣选阶段），DRAW（绘制阶段）。APP阶段用于更新所有的动态用户数据，包括相机的位置，以及运动对象的位置和属性变化。CULL必须跟随在APP之后，这一阶段中，首先参照视口锥截体（viewingfrustum）中的可见对象，其次参照用于渲染性能的渲染状态，对场景进行排序。CULL阶段更新摄像机位置的依赖数据，并为其后的DRAW阶段构建一个“显示列表”（displaylist）。DRAW阶段仅仅是遍历整个显示列表，并执行OpenGL的各种调用，将

4、数据传递给图形子系统进行处理。在一个具备多个图形子系统的系统中，有必要为每个图形子系统设置CULL和DRAW阶段，因为在假定各个视口锥截体均不同的前提下，只有CULL阶段能够为每个子系统构建唯一的“显示列表”。而APP阶段则不必设置多个，因为每个视口均会共享同一个APP阶段更新的动态数据。鉴于此，一个具备多图形子系统的系统，要实现多任务的机制，则需要定义过程如下：一个单处理器的系统需要顺序地执行各个阶段（例如，APP，CULL_0，DRAW_0，CULL_1，DRAW_1，CULL_2，DRAW_2），而一帧的时间也就相当于这些阶段耗费的总时间

5、。因此，我们需要实现的任务主要有两个：（1）唯一的APP任务，（2）每个图形子系统各自的CULL/DRAW任务。在多处理器系统中，如果处理器树木足够多的话，那么每一个任务都可以在某一个处理器上并行地执行。此外，CULL/DRAW任务也可以分离为两个任务并行地运行。并行多处理器环境的模型实现主要有两个目标。（1）分离并行化（TaskDivisionParallelization）：将一个大型的任务分解成多个可以并行运行的小型任务，以削减运行时间；（2）集成并行化（TaskAggregationParallelization）：将一个任务N次倍乘后

6、，并行地运行它的每个实例，而不增加运行时间。将CULL/DRAW阶段从APP阶段分离出来，然后将CULL和DRAW分离成独立并行的任务，这是一个“分离并行化”的例子。将多个CULL/DRAW组合的任务添加给各个图形子系统，这是一个“集成并行化”的例子。并行地运行各个阶段可能会带来一些问题。首先，各个阶段必须顺序地处理数据。换句话说，APP阶段完成对数据的处理之后，CULL阶段才可以开始使用这些数据。同样，DRAW阶段也不可以在CULL完成数据生成之前使用这些数据。不过，APP阶段不需要等待CULL和DRAW阶段的工作完成，就可以开始下一帧的数据

7、处理工作，因此，系统管线流程的设计如下图所示。此外，各个阶段之间共享的数据也需要进行保护和缓存。由之前的阶段写入的数据，不可以被同时发生的其它并行阶段读取。这样场景图形软件就需要引入复杂的数据管理功能。以上所述是SGIIrisPerformer在九十年代提出的一种框架结构。在当时它是合适的，但是现在已经有些过时。实时且具备窗口输出（out-the-window）的飞行模拟系统需要60Hz的帧速率，也就是说，每个阶段只有16.667毫秒的时间来完成其任务。1990年，SGI开始开发实时图形系统，它所使用的处理器速度是现在处理器的1/60。由于图形

8、系统与图形处理器的能力成比例相关，APP和CULL阶段所需的时间负荷并不是相同的。上图所示的系统设计中，APP和CULL阶段被假定可能占用整整一帧的时