基于可编程图形硬件的体绘制技术.doc

罗 艳 (成都东软信息技术职业学院计算机科学系 ,四川 成都 611844) 摘要 :三维数据场可视化中的体绘制技术是科学计算可视化领域最重要的一项技术 。由于体绘制技术需要处 理的数据量十分庞大 ,生成图像算法又比较复杂 ,常常需要使用高端图形工作站和特殊硬件来实现 。近年来计算 机性能的大幅提高 ,特别是可编程 GPU 的顶点和片段处理器的快速发展 ,为普通 PC 机上实现实时体绘制技术提 供了硬件加速的支持 。介绍了科学计算可视化和可编程 GPU 的概况 ,在普通 PC 机上实现了基于 GPU 的三维纹 理映射的体绘制算法 ,实验表明 ,在不损失图像绘制质量的情况下 ,加快了绘制的速度 。 关 键 词 :计算机应用 ;可视化 ;体绘制 ;可编程图形硬件 ;三维纹理 中图分类号 : TP391 . 72 文献标识码 :A 引言 1 科学计算可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术 ,将科学计算过程中或者计算结果的数据转换为直 观的图形或图像在屏幕上显示出来 ,并借助于交互技术进行处理的理论 、方法和技术 。涉及计算机图形学 、图像 处理 、计算机辅助设计 、计算机视觉及人机交互技术等多个领域1 。 科学计算可视化的核心是三维数据场的可视化 ,其方法大致可分为面绘制和直接体绘制2 。面绘制是一种 普遍应用的三维显示技术 ,是从体数据中抽取一系列相关表面 ,并用多变形拟合近似后 ,再通过传统的图形学算 法显示出来 ,只能表达体数据的轮廓 ,因此造成整体信息的丢失 。而体绘制技术是将三维空间的离散体数据直接 转换为二维的图像 ,并不需要生成中间的几何图元 ,绘制结果可以使人们从图像中感受到完整的体数据信息 。 由于体绘制技术需要处理的数据量非常大 ,绘制算法也需要大量的计算 ,在普通 PC 机上实现体数据的实时 交互处理比较困难 ,所以体绘制技术的发展 ,离不开计算机图形硬件的支持 。特别是近年来发展迅速的面向普通 用户的可编程图形处理器 ( GPU , Grap hic Processing U nit) 出现 ,基于 GPU 的各种图形绘制算法的提出 ,可以将 图形流水线上的某些处理阶段以及某些图形算法从 CPU 转移到 GPU ,并且增加了图形处理的灵活性 ,大大推动 了体绘制技术的发展 。 可编程图形硬件 2 综观计算机图形学的发展进程 ,可以毫不夸张地说 ,计算机图形学的每次重大进展都与图形处理硬件的突破 密切相关 ,图形处理的并行性以及可编程功能一直是图形硬件发展所追求的目标 。 1999 年 Nvidia 公司推出了 Gefo rce256 图形芯片 ,是第一款集成了硬件 T L ( Transfo matio n Lighting ,多 边形变换和光照) 功能的图形显示芯片 ,从这款芯片开始 ,Nvidia 开始将图形硬件称为 GPU ,因为原来的“视频控 制器 ( V GA co nt roller) ”已经无法概括图形硬件的功能3 。目前图形硬件中的图形处理器的计算能力的增长速度 已经超过了中央处理器 ( CPU ) ,主流图形硬件制造商声称 ,现在每隔 6 - 12 个月 GPU 的性能就会增长一倍 。图 形处理器技术的迅速发展带来的并不只是处理速度的提高 ,还产生了很多全新的图形硬件技术 ,其中最引人注目 的是在图形硬件处理管道的顶点处理和像素处理模块中引入了可编程性 ,使用户可以通过程序方式控制图形流 水线的执行 ,极大地扩展了图形处理器的能力和应用范围 。 2 . 1 可编程图形流水线 GPU 和 CPU 的结构类似 ,功能也是以流水线的方式执行 。CPU 是通用处理单元 ,可执行任何应用程序 ,而  GPU 针对的是图形领域 ,专门用来处理几何数据 。基本上 GPU 的作用就是依据输入的三维信息绘制帧缓存 ,从 接受三维数据到最终绘制在帧缓存上的结果 ,期间所有的处理阶段就叫做图形流水线 ( Grap hics Pipeline) 。传统 的图形硬件流水线以流水的方式处理大量的顶点 、几何图元和片段 ,执行固定的功能 ,成为固定功能的图形流水 线 ,在此基础上增加能够替代原来固定功能模块的可编程模块后 ,得到的图形硬件流水线称为可编程图形流水 线 ,如图 1 所示 。 从图 1 中可以看出 , Vertex Shader 和 Fragment Shader 并不 是必须经过的流程 ,图形仍然可以从固定功能的模块中处理并流 向下一个阶段 ,也就是说 ,可编程模块可以取代固定功能的模块 , 也可以不取代 ,这些都是根据用户的编程效果需要来控制 。可编 程图形流水线的优点就是增加了编程的灵活性 ,用户可通过编写 自己的 Vertex Shader 和 Frag