973項目結(jié)題總結(jié)報告

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1、973項目結(jié)題總結(jié)報告項目名稱：虛擬現(xiàn)實的基礎(chǔ)理論、算法及實現(xiàn)課題編號：2002CB312106課題名稱：分布式虛擬環(huán)境子課題名稱：分布并行圖形繪制技術(shù)及系統(tǒng)子課題負責人：石教英一、子課題任務(wù)與研究內(nèi)容課題任務(wù)書中明確本子課題的任務(wù)是：“為了保證實時圖形繪制質(zhì)量并保證系統(tǒng)的時間真實感，研究高性能并行、分布圖形繪制流水線，使得系統(tǒng)在圖形質(zhì)量和繪制實時性之間達到較好的平衡，特別將研究軟硬件相結(jié)合的、幾何和紋理動態(tài)自適應(yīng)轉(zhuǎn)換的分布圖形繪制技術(shù)、場景信息的實時壓縮和傳輸技術(shù)，解決大規(guī)模虛擬場景的高保真實時繪制問題”。研究內(nèi)容包括“研究規(guī)

2、?？蓴U展的高性能分布并行圖形繪制體系結(jié)構(gòu)，及其并行繪制算法”，“研究分布并行圖形繪制系統(tǒng)的負載平衡算法，高效數(shù)據(jù)流壓縮和傳輸技術(shù)、同步策略以及高分辨率分屏顯示技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)一個自適應(yīng)的任務(wù)劃分方法”，“對分布并行圖形繪制的理論和算法研究，進一步改進分布并行繪制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和算法性能”，“研究開發(fā)新型分布式并行圖形繪制原型系統(tǒng)”。概括的說本子課題的任務(wù)是研究適用于分布式虛擬環(huán)境的實時高質(zhì)量的圖形繪制技術(shù)與系統(tǒng)。分布式虛擬環(huán)境圖形繪制具有以下特點：（1）分布式虛擬環(huán)境所包含的虛擬場景一般規(guī)模較大，例如覆蓋超過1000平方公里的復(fù)

3、雜地理環(huán)境，實時繪制大規(guī)模虛擬場景需要很大的繪制能力；（2）分布式虛擬環(huán)境所包含對象的數(shù)據(jù)類型比較復(fù)雜，包括靜態(tài)對象和動態(tài)對象，靜態(tài)對象又包含地形、海洋、建筑等不同類型的模型，動態(tài)對象往往具有比較復(fù)雜的屬性；（3）分布式虛擬環(huán)境中一般存在仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和圖形繪制系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)兩套數(shù)據(jù)集合，數(shù)據(jù)管理復(fù)雜，并且其中部分數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)冗余；（4）分布式虛擬環(huán)境多采用高分辨率投影墻作為觀察終端，這種類型的顯示設(shè)備具有繪制數(shù)據(jù)量大、顯示分辨率高、任務(wù)劃分方式相對固定等特點；（5）分布式虛擬環(huán)境具有廣泛的分布特征，例如數(shù)據(jù)來源、參與用戶、仿真計算

4、節(jié)點、終端顯示節(jié)點都具有分布特征。二、子課題研究成果介紹針對課題任務(wù)書中的內(nèi)容和分布式虛擬環(huán)境圖形繪制的特點，我們完成了一個“分布并行圖形繪制系統(tǒng)”，我們的研究成果主要包括：（1）完成新型的基于動態(tài)繪制組的混合式自適應(yīng)并行繪制體系結(jié)構(gòu)（見圖1和圖2），以及基于節(jié)點遷移的負載平衡策略。該項技術(shù)可擴性好，具有特別適用于采用多屏拼接顯示VR應(yīng)用的特點。動態(tài)繪制組是本體系結(jié)構(gòu)的基本繪制功能單元，由數(shù)目可變的PC節(jié)點組成，包括一個主節(jié)點和數(shù)量可變的從節(jié)點。各動態(tài)繪制組之間按sort-first并行繪制流程工作。動態(tài)繪制組內(nèi)部主從節(jié)點間的并

5、行繪制工作流程由主節(jié)點確定，可以在sort-first和sort-last兩種工作流程之間自動切換，以適應(yīng)不同圖元分布狀態(tài)，達到最佳并行繪制性能?；诠?jié)點遷移的負載平衡策略對圖像空間的劃分固定不變，通過調(diào)整對應(yīng)圖像區(qū)域的動態(tài)繪制組的計算能力，對從節(jié)點在各動態(tài)繪制組之間進行遷移，以適應(yīng)負載變化。負載平衡算法開銷小、速度快，負載平衡性能測試結(jié)果見圖3。圖1基于動態(tài)繪制組的并行繪制體系結(jié)構(gòu)圖2復(fù)式嵌套并行繪制流水線圖3負載平衡性能測試結(jié)果（2）完成多種圖形繪制加速技術(shù)的研究與集成，支持大規(guī)模虛擬場景的實時繪制，保證并行圖形繪制系統(tǒng)的交

6、互性能。我們研究與集成的多種加速繪制技術(shù)包括基于預(yù)測的可見性剔除（見圖4）、并行簡化與多分辨率構(gòu)建（見圖5）、存儲訪問優(yōu)化技術(shù)（見圖6）、面向并行繪制的網(wǎng)格壓縮和條帶化技術(shù)（見圖7）等?；陬A(yù)測的可見性剔除技術(shù)充分挖掘可見性的時空連貫性，采用可見性預(yù)測器來選擇執(zhí)行硬件遮擋查詢，具有預(yù)處理時間短、遮擋剔除效率高、遮擋剔除速度快等優(yōu)點。并行簡化與多分辨率構(gòu)建技術(shù)采用基于基準測試的資源管理和動態(tài)任務(wù)劃分機制，能有效降低網(wǎng)格簡化和多分辨率表示的預(yù)處理時間。存儲訪問優(yōu)化技術(shù)結(jié)合外存訪問優(yōu)化和緩存訪問優(yōu)化兩種技術(shù)，支持大規(guī)模場景數(shù)據(jù)的按需調(diào)

7、度，能有效減少繪制訪問緩存失效率。提出支持網(wǎng)格分片隨機存取的三角形網(wǎng)格壓縮框架，可見性連貫的三角形單條帶化壓縮技術(shù)，以及混合模式緩存優(yōu)化的三角形條帶化壓縮技術(shù)，可以提高并行繪制環(huán)境下場景數(shù)據(jù)的傳輸和調(diào)度效率。圖4可見性預(yù)測器原理和基于分層緩沖區(qū)的場景排序圖5并行簡化的動態(tài)任務(wù)管理機制及測試性能結(jié)果圖6基于優(yōu)先權(quán)的外存數(shù)據(jù)管理和調(diào)度策略圖7基于分片保拓撲曲面片壓縮的壓縮率測試結(jié)果和采用壓縮數(shù)據(jù)并行繪制結(jié)果（3）完成支持異構(gòu)場景數(shù)據(jù)的場景組織框架（見圖8）和支持HLA仿真平臺和并行圖形繪制平臺集成的統(tǒng)一對象模型（見圖9），可以支持不

8、同類型的上層應(yīng)用，能有效支持與分布式仿真系統(tǒng)的集成。異構(gòu)場景數(shù)據(jù)組織框架核心為異構(gòu)場景圖，該場景圖對普通場景圖定義方式進行擴充，以面向?qū)ο蠓绞教岢隽艘徽讛?shù)據(jù)管理的解決方案。異構(gòu)數(shù)據(jù)場景圖基本節(jié)點不定義與應(yīng)用相關(guān)的場景數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，只定義一套并行繪制接口規(guī)范，不同場