浙江大学计算机辅助设计与图形学国家重点实验室

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1、前言石教英浙江大学计算机辅助设计与图形学国家重点实验室浙江大学计算机学院jyshi@cad.zju.edu.cn近年来，随着计算机图形软硬件技术日益进步和应用需求不断增长，计算机图形学研究和应用呈现出以下几个特点：（1）模型复杂度急剧增大。随着三维扫描、计算机辅助设计和科学仿真等技术的提高，几何建模变得更加方便，模型的几何复杂度也越来越大，包含上千万甚至数十亿几何图元的模型变得十分普遍。这些模型数据精度高，能保留原始模型的细节特征，对机械制造、生命科学、军事仿真、建筑规划、文物保护、影视游戏等诸多领域具有重要价值。（2）场景对象更加复杂。随着几何、材质、物理

2、建模技术以及运动捕获技术的提高，虚拟场景中对象类型越来越多，对象属性也变得更加复杂。对象状态可能为静态，也可能由用户控制或程序驱动而动态变化；对象表示可能采用几何表达方式，也可能采用基于图像的表达方式，甚至两者相结合的表达方式；对象属性除了包含几何和材质属性外，也可能包含物理属性，以及交互和智能等高级属性。（3）绘制真实感要求更高。随着材质获取、建模和编辑技术的提高，以及对绘制算法的不断研究，许多应用不但要求表现模型的复杂外观效果，例如头发、皮肤、蚀刻等效果，还要求表现复杂的全局光照明效果，例如镜面反射、透射、阴影、衍射、色渗等效果。（4）显示分辨率呈数量级

3、递增。多年来，单屏显示分辨率一直局限在1024x1024数量级上，成为制约图形显示能力的瓶颈。近年来，多屏拼接显示技术的发展和成熟使得大范围、可伸缩、高分辨率的沉浸式显示设备，例如CAVE和大屏幕投影墙，得到越来越广泛的应用。这类显示设备通过提高显示分辨率来提供更加精细的绘制结果，能极大增强人们在虚拟环境中的沉浸感，提高虚实合一的程度，同时此类技术要求能同时处理十倍甚至百倍单屏显示的数据量，从而对图形绘制性能提出了新的要求。上述新的应用特点加上对真实感与实时性统一的要求，最终反映在提高绘制性能的追求上。自20世纪90年代以来，单机图形处理器（GPU）性能快速

4、提高，分布并行图形绘制技术呈现蓬勃发展的势头，成为提高绘制性能的两个主流方向。分布并行图形绘制硬件系统从最初的专用并行图形绘制硬件，发展到日益成熟的基于PC集群（PCcluster）的并行绘制系统，以及目前最新的基于图形集群（graphicscluster）的并行绘制系统和基于网格（grid）的并行绘制系统。分布并行图形绘制软件系统从基于绘制指令分布的并行绘制系统，发展到基于场景数据分布的并行绘制系统，以及集成多种绘制加速算法的并行绘制系统。与通用计算GPU（GPGPU）应用类似，由这些软硬件组成的高性能分布并行绘制系统不仅可以用于要求极高图形处理能力的应用

5、领域，例如大规模虚拟战场仿真、大规模流体仿真和可视化、大型飞机CAD模型可视化、海量医学图像分析及其可视化、时变海量高维信息可视化等，还可以用于其他需要大量计算能力的应用领域，例如大规模数值分析、海量信号处理、海量数据库检索等。浙江大学计算机辅助设计与图形学（CAD&CG）国家重点实验室分布并行图形绘制研究团队近十年来，先后有12名博士生、5名硕士生（详见文后附表），在国家973项目“虚拟现实基础理论与算法”（2002CB312105）支持下，围绕分布并行图形绘制技术的各个方向进行深入系统的研究，取得了一批研究成果，发表了一批高质量的学术论文。本书集中汇聚了

6、这些研究成果是一件十分有意义的事。这部专著是集体劳动的结晶，我作为项目负责人和研究生的导师，策划和组织了本书的编写工作，在封面上以主编名义署名，各章作者分别在目录和相关章节后署名，以体现知识产权保护和文责自负的精神。分布并行图形绘制研究方向的形成和得以坚持的原因是多方面的。最初的动机是出于“还债”心理，我自1973年进浙江大学无线电系计算机教研组，从原苏联列宁格勒大学物理系核物理专业毕业，而改行从事计算机专业研究，最初是从研制小型计算机硬件做起的。后来一直工作于计算机系统结构教研组（计算机系统研究所）。80年代后期，经学校推荐从事浙大“计算机辅助设计与图形学

7、国家重点实验室”组建工作，1989-1998年，任实验室主任。实验室初创阶段需要集中人力和物力做好做强计算机辅助设计和计算机图形学这两个方向，我作为实验室负责人，责无旁贷把我的团队整个投到实验室主流方向上，长达10年之久。这段时期我有足够业绩通过学校考核指标，但我经常扪心自问，我的业绩是无法向计算机系统研究所交待的。因此我一直对系统所的多届领导心存感恩和愧疚之心，感谢他们的宽容，感谢多年来他们一直容许我名列系统所之下，却致力于CAD&CG国家重点实验室的工作。同时，我也希望有朝一日能有所回报，能重新进行计算机体系结构的研究。于是，在90年代后期，我选择了分布

8、并行处理系统与图形算法相结合的并行图形绘制技术及其应