基于GPU的實(shí)時(shí)繪制算法研究.pdf

1、圖形質(zhì)量和繪制速度是三維實(shí)時(shí)繪制技術(shù)的主要矛盾。三維實(shí)時(shí)繪制的場(chǎng)景常常包含數(shù)百萬(wàn)甚至上千萬(wàn)的三角形，而且其幾何模型還有越來(lái)越復(fù)雜的趨勢(shì)。傳統(tǒng)圖形流水線完全依賴CPU執(zhí)行各環(huán)節(jié)的大量運(yùn)算，而CPU并不是專門為圖形運(yùn)算設(shè)計(jì)的。因此，完全利用CPU來(lái)實(shí)現(xiàn)三維實(shí)時(shí)繪制是非常困難的。GPU(Graphics Processing Unit)的出現(xiàn)為這一重要問(wèn)題提供了一條現(xiàn)實(shí)的解決途徑。近年來(lái)，GPU的發(fā)展速度已經(jīng)大大超過(guò)了摩爾定律。目前，GPU的

2、浮點(diǎn)運(yùn)算性能和數(shù)據(jù)吞吐率已經(jīng)超過(guò)同時(shí)代的主流CPU。更重要的是，GPU已經(jīng)具有了獨(dú)立的處理核心、內(nèi)存空間和編程語(yǔ)言，獲得了與CPU類似的可編程能力，這一切使得GPU無(wú)可爭(zhēng)議地成為三維實(shí)時(shí)繪制的主流計(jì)算平臺(tái)。GPU的出現(xiàn)和發(fā)展不但極大地提高了計(jì)算機(jī)圖形處理的速度和質(zhì)量，而且還極大地促進(jìn)了計(jì)算機(jī)圖形相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展。 圖形流水線是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中最基本、最重要的技術(shù)框架。幾乎所有的計(jì)算機(jī)圖形研發(fā)工作都以這個(gè)框架模型為基礎(chǔ)。雖然G

3、PU具有非常高的計(jì)算速度，但以前在傳統(tǒng)圖形流水線上實(shí)現(xiàn)的算法卻并不能直接照搬到GPU圖形流水線上來(lái)，這是因?yàn)镚PU與CPU在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上存在本質(zhì)區(qū)別。GPU基于一種流水化的硬件結(jié)構(gòu)和并行化的編程模型，這是GPU在執(zhí)行圖形運(yùn)算時(shí)具有顯著高性能的根本原因。因此，傳統(tǒng)圖形流水線的串行處理模型必須進(jìn)行適當(dāng)改造，才能使GPU的并行計(jì)算能力和性能優(yōu)勢(shì)得到最充分的發(fā)揮。 本文對(duì)傳統(tǒng)圖形流水線和GPU圖形流水線進(jìn)行了對(duì)比分析和研究。我們首先研究了

4、傳統(tǒng)圖形流水線中最基本的環(huán)節(jié)，包括三維物體的數(shù)據(jù)表示，幾何變換，光照模型，光柵化、紋理映射和加速算法。在傳統(tǒng)圖形流水線的研究基礎(chǔ)上，對(duì)GPIJ圖形流水線的頂點(diǎn)變換器和片元著色器進(jìn)行了重點(diǎn)研究。給出了實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)效果和環(huán)境映射效果的頂點(diǎn)變換算法；給出了實(shí)現(xiàn)距離衰減效果和聚光燈效果的片元著色算法；總結(jié)歸納了若干條優(yōu)化圖形程序性能的編程準(zhǔn)則。最后以O(shè)penGL和CG語(yǔ)言為工具，給出了兩個(gè)基于GPU圖形流水線的算法實(shí)例。算法實(shí)例1給出了模擬單波源三

5、維水波的頂點(diǎn)變換算法；算法實(shí)例2給出了計(jì)算各向異性光照的片元著色算法。算法實(shí)例1采用正弦函數(shù)作為構(gòu)造水波網(wǎng)格的基本波函數(shù)，利用Uniform參數(shù)傳入波的振蕩因子，在頂點(diǎn)變換器中執(zhí)行波面網(wǎng)格頂點(diǎn)的位移計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了波面蕩漾的效果；算法實(shí)例2假定場(chǎng)景中只有一個(gè)光源，然后在片元著色器中計(jì)算各向異性光照。算法實(shí)例2使用一張紋理作為光照值的查找表。查找表中的每一項(xiàng)都是RGBA格式的顏色值。其中，RGB三個(gè)分量存儲(chǔ)預(yù)先計(jì)算的漫反射因子，A分量存儲(chǔ)鏡面