基于包围跳跃的计算统一设备架构光线投射算法-论文.pdf

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1、第14卷第12期2014年4月科学技术与工程Vo1．14No．12Apr．20141671—1815(2014)12—0245—05ScienceTechnologyandEngineering@2014Sci．Tech．Engrg．基于包围跳跃的计算统一设备架构光线投射算法方军房晓阳肖亮(南京理工大学计算机科学与工程学院，南京210094)摘要针对传统光线投射算法绘制速度慢和图形处理器(graphicsprocessingunit，GPU)不能有效进行并行计算的缺点，文章提出一种基于包围跳跃的计算统一设备架构(compu

2、teunifieddevicearchitecture，CUDA)光线投射算法。首先介绍了CUDA的编程模型和线程结构，然后用包围盒技术隔离体数据周围无效的空体素，减少投射光线的数目；利用光线跳跃技术，在包围盒内进行快速光线的合成，跳过透明的体素，减少大量体素的重采样；最后使用CUDA强大的并行处理计算的功能实现光线投射算法。实验结果表明，在保证图像质量的同时，绘制速度上比基于GPU加速的光线投射算法有14倍的提高，能够接近实时绘制，有很好的应用价值。关键词光线投射体绘制光线跳跃包围盒统一计算设备结构中图法分类号TP391

3、．41；文献标志码A科学计算可视化(visualizationinscientificCOITI．利用GPU提出了一些加速的体绘制方法。Krugerputing)¨是1987年提出并发展起来的一个新的研等人提出基于GPU的光线提前终止和空间跳跃究领域，在医学、地质勘探、分子模型构造和气象学光线投射算法；Stegmaier等人提出基于GPU简单等领域被广泛应用。可视化方法分为两类：面绘制而灵活的单通道光线投射体绘制算法；储璩骏等和体绘制。面绘制算法首先由三维数据场构造中间人提出编写顶点和片段程序移人GPU中运行；并几何图元，

4、然后用计算机图像处理技术、计算机图形采用光照效果进行重建提高绘制速度。尽管这些基学技术进行绘制；但不能得到数据场的内部信息。于GPU的加速算法提高了绘制的速度，但受GPU而体绘制直接在体数据集中绘制体素，由三维数据管线编程的限制，并没有发挥GPU并行计算的能场产生屏幕上的二维图像，并不构造几何图元，能生力，没有达到真正的实时绘制。成高质量的图像且有详细的内部信息。其中光线投2007年6月，NVIDIA公司推出了CUDA通用射算法是一个经典的体绘制方法，图像质量最高，应并行计算体系架构J。与GPU不同的是，CUDA不用最为广

5、泛；但由于该算法自身的缺点，绘制速度非需要借助图形学API(applicationprogramminginter．常缓慢，达不到实时绘制。因此，如何使用软件与硬face，应用程序编程接口)，直接使用类C语言进行件结合的方法来提高绘制的速度成为了当前研究的编程开发，使编程者容易掌握和理解，提高编程效热点。率。目前CUDA在科学计算可视化众多领域中得早期的光线投射主要是通过基于CPU纯软件到应用，并获得了很好的效果。本文利用CUDA并的加速方法。Lakare和Kaufman利用光线相关行运算处理功能、包围盒技术和光线跳跃技术

6、对传统光线投射算法进行加速操作，并与纯软件加速方性，提出一种空间跳跃加速体绘制技术；文献[3]提法和基于GPU加速方法进行对比，实验证明，本文出改进求交的自适应光线投射算法，确定自适应采方法在获得高质量图像的同时，接近实时绘制，具有样步长加速绘制；文献[4]提出基于片段融合的光很好的效果。线投射算法，减少插值计算量和对无效平面的求交；这些算法有一定的加速，但还没有达到对实时绘制1传统光线投射算法的要求。随着图形技术的快速发展，国内外研究者M．Levoy提出的光线投射算法就是一种图像2013年11月18日收到国家重大科学仪器

7、设备开发专项空间扫描的实现体绘制的离散方法，其基本原理是：(2012YQO5O25OO4)资助从图像空间屏幕上的每一个像素点出发，根据设定第一作者简介：方军(1988一)，男，硕士研究生，研究方向：三维图的视线方向发出一条射线；这条射线穿过三维数据像可视化。E—mail：fangjun9506@163．con。场，然后沿着这条射线选择若干个等距的采样点，并科学技术与工程14卷由距离此采样点最近的8个数据点的颜色值和不透整的CUDA源程序是由CPU端的串行程序代码和明度值作三次线性插值，求出该采样点的颜色值及GPU端的Ker

8、nel函数共同组成的。不透明度值；最后将这条射线上各采样点的颜色值由图2所示，CUDA是以线程网格(Grid)、线程及不透明度值由前向后或由后向前加以合成，即可块(Block)、线程(Thread)为三层的组织结构，其中得到发出该射线的像素点处的颜色值，从而可以得kemel函数不是一个完整的程序，而只是