973 项目结题报告

项目名称：虚拟现实的基础理论、算法及实现课题编号： 2002CB312105课题名称：分布式虚拟环境子课题名称：分布并行图形绘制技术及系统子课题负责人：石教英

研究任务• 研究规模可扩展的高性能分布并行图形绘制

体系结构、绘制流水线组织和负载平衡算法。• 研究多种高性能分布并行图形绘制加速算法。• 研究支持异构大规模场景数据的实时绘制技

术，以及高效的分布仿真与并行绘制系统的集成技术。

• 研究高分辨率分屏显示技术。

分布式虚拟环境图形绘制特点 • 场景规模大，场景对象数据类型复杂，绘制能力

要求高。• 仿真系统与图形绘制存在两套数据结构，数据管

理复杂。• 多以高分辨率投影墙作为观察终端，绘制数据量

大、显示分辨率高、任务划分方式相对固定。• 具有广泛的分布特征，如数据来源、参与用户、

仿真计算节点、终端显示节点等。• 要求较高的硬软件通用性。

研究成果一、新型并行绘制体系结构

– 动态绘制组– 复式嵌套并行绘制流水线– 基于节点迁移的负载平衡策略

• 优点：扩展性能好，适应负载变化能力强，负载平衡开销小，速度快。

研究成果• 动态绘制组 DRT

– 本体系结构的基本绘制功能单元由数目可变的PC 节点组成，便于动态调节其运算能力。

研究成果• 复式嵌套并行绘制流水线

– 灵活的绘制流水线组织方式– 动态绘制组之间： sort-first– 动态绘制组内部： sort-first 和 sort-last 切换

研究成果• 基于节点迁移的负载平衡策略

– 检测帧速率判别 负载量变化。– 启动基于节点迁 移的负载平衡流 程动态调节绘制 单元 PC 节点数。

研究成果二、集成多种图形绘制加速技术

– 基于预测的可见性剔除。– 并行网格简化与并行多分辨率构建。– 存储访问优化技术。– 面向并行绘制的网格压缩和条带化技术。

• 优点：支持大规模虚拟场景的实时绘制，提高并行图形绘制系统的交互性能。

研究成果• 基于预测的可见性剔除

– 利用硬件遮挡查询， 利用可见性的时空 连贯性减少查询次 数，利用分层缓冲 区减少排序代价， 实时遮挡剔除效率 最高可达 99 ％。

研究成果• 并行网格简化

– 基于网格分割和基于网格流的并行简化方法– 基于基准网格简化测试的资源管理和任务分配– 24 节点 PC 集群的简化加速比最高可达 19 ： 1

研究成果• 存储访问优化技术

– 基于优先权的外存数据管理框架，使用该框架绘制性能最大可提高 20倍。

DiskGeometry Cache

Evicting Threads Prefetching Threads Fetching Threads

GPU Memory

GPU

View Frustum Culling Occlusion Culling

Priority Queue 1 Priority Queue 2 Priority Queue 3

Rendering

Request issue

Re

nd

er re

qu

est

Do

wn

loa

d / D

ele

te

req

ue

st

Geometry data

Delete Load Load

Request withdraw Emergent request

data

研究成果• 面向并行绘制的网格压缩和条带化技术

– 支持网格分片随机存取 – 缓存优化的三角形条带化

研究成果三、场景组织框架和数据通讯模型

– 异构场景图。– 统一对象模型。

• 优点：支持不同上层应用，扩大了并行图形绘制系统的适用范围 ，在仿真平台和并行绘制平台之间建立高效的数据交换桥梁，减轻了两者集成的开发工作量。

研究成果• 异构场景图

Graphics hardware pipeline

Heterogeneous scene graph representation

Simulationapplication

Walkthroughapplication

Entertainmentapplication

OpenGL DirectX

Task partitionand scheduling

DRT-basedLoad balancing

OoC data management

View frustumculling

Occlusion culling

Scene graphupdating

Root

FN FNFN

TG SG DG

SemanticView

SpatialView

FN FN FN FN FN

TN SN SN DN DN

GN GN GN GN GN

DN

FN

TN

GN

研究成果• 统一对象模型

研究成果四、并行绘制系统 D3DPR

• 优点：可支持基于 Direct3D 和采用 GPU 着色器的应用程序透明化并行，具有较强的软件通用性。

研究成果五、高分辨率多屏拼接显示技术• 优点：解决了几何拼接和色彩突变的问题，

实用性较强。

研究成果六、集成技术（ 1）集成并行绘制系统与多屏拼接显示系统

研究成果（ 2）集成并行绘制系统、基于 HLA 的分布

仿真系统和多屏拼接显示系统

研究成果七、基于网格的分布仿真、并行绘制和可视化集成系统 GSPR

• 优点：支持多种应用的网格体系结构，支持动态资源分配与管理，灵活的数据管理框架。

研究成果• GSPR 系统采用三层体系结构模型

– 运行时环境层 GRE 。– 网格应用框架层 GAF 。– 网格门户层 GPortal 。

研究成果特点• 具有较强的硬件通用性，支持不同分布并

行环境。– 支持 PC 集群和图形集群。– 支持网格分布并行环境。

• 具有较强的软件通用性，支持不同图形绘制 API 。– 支持 OpenGL 。– 支持 Direct3D 。– 支持不同类型的上层应用。

研究成果特点• 体系结构与负载平衡效率高、扩展性好，

特别适用于任务划分相对固定的虚拟现实应用。

• 集成多种绘制加速技术，支持大规模场景的分布数据存储、数据流压缩传输和实时绘制。

• 支持分布式仿真环境与并行绘制系统的高效集成。