虛擬現(xiàn)實中碰撞檢測的異構加速研究.pdf

1、近年GPU通用計算的發(fā)展為虛擬現(xiàn)實領域算法的改進提供了良好的條件,為并行化解決效率問題提供了機遇。CPU+GPU組成的異構計算環(huán)境更是為虛擬現(xiàn)實算法中實時性問題的解決提供了更好的方法。
　　 虛擬現(xiàn)實技術廣泛應用于計算機游戲、計算機輔助教學、計算機輔助設計等領域,并在近十年有巨大的發(fā)展。隨著人們對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)場景逼真度及高交互性要求的日益提高,系統(tǒng)計算數(shù)據(jù)量也大幅度提升。其中,場景中物體的碰撞檢測計算是整個計算的重要組成部分。因

2、此,解決碰撞檢測計算的實時性常常是整個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)高效實現(xiàn)的關鍵。
　　 碰撞檢測是判定兩個或更多對象是否有一個或多個交點的過程。碰撞檢測的研究是計算機圖形學、虛擬現(xiàn)實、醫(yī)學模擬等領域的重要分支。在很多情況下,移動對象在虛擬場景地圖中移動不允許發(fā)生與某些對象的穿透,實時的碰撞檢測算法是解決這類問題的關鍵。
　　 層次包圍盒技術與空間劃分技術是碰撞檢測算法的兩個基礎方法,它們分別從兩個方面降低碰撞檢測過程的計算復雜度。盡管

3、這幾年碰撞檢測研究有了較多有價值的成果,但隨著場景與模型規(guī)模復雜度的日益提高,同時用戶對人機交互的實時性與精確性要求也越來越高,核心算法需要有更高的效率。但是,經(jīng)典的層次包圍盒技術與空間分割技術不能直接使用GPU做加速計算,需要對其進行改進以適應GPU的硬件多線程處理。
　　 本文圍繞虛擬場景中碰撞檢測問題,對提高復雜場景下檢測效率進行了分析與研究,在對各種基本碰撞檢測算法深入理解的基礎上,結合NVIDIA CUDA通用計算平臺

4、,以異構編程的思想從下幾個方面對算法進行改進:
　　 首先,對碰撞檢測算法中物體模型包圍球層次樹以及三角形數(shù)據(jù)集合的數(shù)據(jù)結構進行詳細分析,再基于CPU+GPU異構計算思想進行問題分解,分層討論寬階段的初步檢測與大規(guī)模多物體檢測。在寬階段碰撞檢測算法與窄階段碰撞檢測算法中改進CPU端執(zhí)行部分以適應GPU端對輸入數(shù)據(jù)的要求,分離出計算密集型的Device(GPU)端部分；然后,創(chuàng)建適合GPU處理的相交測試邏輯,再將場景中物體間相交測

5、試映射到CUDA線程執(zhí)行模型；最后,根據(jù)GPU存儲器模型進行效率優(yōu)化。具體的說,在寬階段碰撞檢測中,CPU負責包圍球層次樹的構建與遍歷,GPU負責一物體包圍球層次樹與另一物體三角形集合的并行相交測試,剔除不可能相交的三角形集合,得到潛在相交集合；在窄階段碰撞檢測中,GPU以上一階段的數(shù)據(jù)為輸入,對三角形集合進行精確的并行相交測試,并最終得出測試結果。對于多物體場景則先在CPU端對場景對象集合進行分組,以便于后續(xù)GPU并行執(zhí)行,然后,GP