三维地形场景并行渲染技术研究

陈衡

【摘要】 在科学技术不断创新和广泛应用的影响下，三维地形场景并行渲染技术不仅能够对地形数据进行有效分析，而且能够保证并行数据调度机制的合理运行，本文对三维地形场景并行渲染技术进行分析，并且对其当前应用过程中存在的问题进行研究。

【关键词】 三维地形场景 并行渲染技术 研究

当前在我国科学技术不断快速发展以及更新的影响下，现代测绘以及遥感技术的发展空间越来越大，空间数据的获取数量相比之前有了一定程度的增长，而我国已经逐渐向数字化社会时代发展。从目前的整体形势来看，我国当前已经从数字城市逐渐到数字中国，甚至到数字地球，地形数据都在保持不断增长的状态，而现如今，如何切实有效的实现大规模的三维地形场景高性能渲染技术是非常重要的问题之一，实现三维地形场景并行渲染技术不仅能够建立虚拟现实的系统，而且能够建立有关三维地理信息的系统等等，这些技术性的问题都是当前非常重要的内容。虽然已经有很多学者对高档图形工作站的三角形进行实时的绘制，但是由于地形的数据数量相当的庞大，其自身的内存管理以及实时绘制能够都不能够满足地形数据的需求，所以地形场景高性能渲染技术的研究需要更加的深入。

一、地形场景高性能渲染技术

地形场景高性能渲染技术在实际的应用过程中，主要是根据两个方面来进行，首先，地形场景高性能渲染技术需要通过对地形场景的实际数据进行合理的组织以及调度，在保证浏览效果的同时，能够切实有效的控制参与渲染的数据量，从根本上对其形成严格的控制；另外地形场景的高性能渲染技术是采用加速渲染的手段来进行，这样有效的增加单位时间内三维地形的整体场景数据处理量，从而保证数据的处理效率和处理质量。

地形场景高性能渲染技术在简化地形场景数据量的方面，一主要是利用LOD的方式来进行，LOD方式可以说是当前大规模条件下三维地形场景渲染的重点研究项目之一，而在实际的应用过程中，加速渲染主要是利用软硬件的加速来实现其自身的加速，比如GPU加速技术、储存访问优化技术等等，其中还包括并行渲染技术，而在各种各样的技术当中，并行渲染技术可以说是软件加速方法当中最重要的组成部分之一，也是不可缺少的一项技术[1]。

二、并行渲染的分类和实现平台

2.1并行渲染的分类体系

2.1.1基于数据调度和功能实现方式的分类分析

在计算机图形学当中的并行渲染技术主要是为了能够给三维地形提供渲染理论和技术基础，而在实际的应用过程中，并行渲染的数据算法主要分为两种，一种是数据并行算法，而另外一种则是功能并行算法。并行渲染的数据并行算法主要是在实际的计算过程中，将模型数据划分成为多个数据流，之后给每一个数据流都分配相对应的图形处理单元，这样保证每一个数据流都能够执行绘制任务，保证多个绘制过程共同执行的效果，在多个绘制过程共同实现的过程中，不仅包括对象并行，而且还包括图形并行，这样能够有效的提高绘制效率，并且能够保证绘制质量。而并行渲染的另外一个算法是功能并行算法，这种算法主要是将绘制流水线进行有效的分解，并且分解成不同的执行模块，在实际的操作过程中，各个模块可以顺序性的处理各种各样不同的数据，而模块之间能够形成并行执行的状态，所以功能并行在一定程度上也可以称之为流水线并行[2]。在三维地形场景当中，上述两种并行方式可以相互配合混合使用，另外，在动画影视领域当中经常会使用到时间的并行算法，时间并行算法主要是指对于不同的图象处理单元需要负责不同帧的图象生成，如图1即为数据并行、功能并行以及集成并行的示意图，其中P代表渲染点、G则是代表几何的整个处理阶段、而R则是代表着像素的整体处理阶段。

2.2实现平台

1、高性能计算机。为了能够充分的保证高性能图形工作站以及并行计算机的合理应用，能够有效实现两者的平台就是高性能的计算机，而高性能的图形工作站不仅具有多个CPU，而且还具备高性能的GPU，并且能够将在日常当中使用的并行渲染技术集成到硬件的使用过程当中。而并行计算机不仅具备高通信宽待的能力，而且在一定程度上可以实现并行计算，所以其自身在并行计算机领域当中被广泛应用的同时，在图形并行渲染方面也被大力的宣传和应用。而在高性能图形工作站以及并行计算及的并行绘制系统的实际应用过程中，两者主要是为了能够针对一些比较高端的图形应用来进行，其中还包括一些平台设计、或者是一些具有特殊特点的应用，这种系统的可拓展性相对来说比较差，并且其自身的设备比较的昂贵，导致需要投入的资金金额比较大，所以在当前的市场上很难做到普及[3]。

2、计算机集群。计算机集群是建立在高速网络平台上的工作站或者是PC集群，其自身具有并行机的优势和特点，并且具有多CPU的特征，是能够保证三维图形构建的有效措施之一，并且能够构建并行绘制系统。计算机集群的灵活性能相对来说比较高，并且其自身的拓展性也比较良好，不仅有利于构建混合系统，而且能够保证工作效率和质量的整体提高，计算机集群并行绘制系统的自身特点相对来说比较多，其中包括其自身的性价比比较高、可扩展性能比较良好，如今如此，计算机集群的并行绘制系统的升级相对来说比较的方便，并且能够其自身的适用性比较的广泛，但是在实际的使用过程中，仍然受到网络宽待的限制，所以这也间接的导致数据通信成为渲染性能的阻碍影响。

3、多核微机。高性能计算机以及计算机集群这两种并行渲染实现平台，由于其自身的设备比较的昂贵，并且规模相对来说比较的庞大，所以对于个人使用来说，并不是很合适，而当前个人用户对于三维图形逼真度的要求也在不断的提高，在这种形势下，微机平台上的并行渲染逐渐成为人们广泛关注的热点之一，但是当前多核微机并行渲染系统仍然处于探究、研发的阶段。

三、地形场景数据并行调度

在实际的操作过程中，因为三维地形场景的数据规模相对来说比较的庞大，所以在实际的系统绘制过程中，并不可能一次性的将所有的数据都加载到内存当中进行妥善的处理，所以在这种形势下，就需要对地形数据进行分页或者是分块的处理方式，并且能够建立相对应的地形空间索引的方法，这样能够切实有效的保证地形数据的动态装载，从而实现地形场景数据的并行调度。而在实际的操作过程中，利用地形数据的分页或者是分块方式不仅能够有效的保证数据的并行调度有序展开，而且对于纹理的处理以及并行绘制方面来说都提供了一定的便利条件。其中数据分页的方法主要是指将地形数据划分成为多个数据页，并且将每一个数据页都作为地形场景当中的一个节点；而数据分块则是指地形数据在被划分成为数据页之后，对其进行多个数据块的划分，并且将这些数据块作为数据调度的最小单位，这样能够保证数据页和数据块的相互配合和作用[4]。但是在实际的操作过程中，由于地形的分块粒度会受到各种各样因素的限制，而分块的粒度大小都会直接对系统的效率产生影响，所以当前并没有实质性的标准来规定分块的大小。

在实际地形场景数据调度的过程中，普遍情况下都会利用缓存技术，缓存技术主要是根据渲染的需求，将即将进行渲染的地形数据块从外存妥善的调入到缓存当中，并且在实际的绘制过程中，将需要渲染的地形数据块有缓存再调入到内存当中，在两者准备完成之后，可以同时释放掉内存当中并不需要的地形数据块，这样能够保证不占内存。在数据的实际调度过程中，一般情况下都会采用多线程技术来对内存以及缓存当中的数据块进行维护，从而有效的解决在缓冲区以及内存当中数据的整体更新问题，而在实际的地形数据渲染过程中，由于数据的调度线程以及数据的绘制线程是处于并行处理的状态，所以能够从根本上有效的提高地形渲染的整体性能[5]。

四、地形场景的并行渲染架构

4.1分布式渲染

在当前网络技术的不断发展、分布式计算机技术以及三维可视化技术的快速更新发展的影响下，在一定程度上为分布式的三维GIS技术能够了一定的契机，在实际的操作过程中，为了能够切实有效的针对大规模真实感的三维地形渲染所带来的性能负担，现如今已经有越来越多的三维浏览系统利用分布式的方式来对三维地形进行渲染，这不仅是当前的研究热点之一，同时也是研究难点。

4.1.1客户端、服务器模式

在分布式的渲染方式中，主要包括服务器和客户端两个方面，其中服务器主要是为了能够针对客户端所发送的一系列请求进行接受和处理，并且对三维模型数据进行分辨率、数据压缩以及编码等一系列的处理工作，服务器在三维渲染系统当中可以说是起到一个数据建模以及传输的作用；而客户端主要是为了能够保证模型数据的渲染，并且对其自身相对应的解压缩以及重建工作，而在实际的应用过程中，客户端和服务器为了能够保证三维渲染系统的有效实现，利用的是数据处理与渲染过程分离的方式来进行并行渲染。

4.1.2微机集群模式

在微机集群模式不断开发和利用的影响下，现如今大规模的三维地形也逐渐开始利用微机集群的模式来进行并行渲染，微机集群模式主要是利用主从结构来进行，也就是利用主控节点来对整个显示系统进行宏观的调控，比如网络通信以及任务的分配等等，利用各个子节点来将场景拼接成为一个完整的显示图象，但是微机集群模式是需要依赖网络传输宽待才能够进行工作，其自身的性能完全的受制于网络[6]。但是最近几年，随着科学技术的不断发展和更新，P2P技术的出现，将微机集群模式的主控节点分配到可以直接处理模型数据以及客户端的请求方面，并且在数据的实际传输过程中，模型数据可以利用多个客户端之间相互分发所需要的数据的方式，利用这种方式不仅能够有效的解决之前主控节点负担过重的问题，而且能够从根本上降低微机集群模式对于网络的依赖性。

五、并行渲染技术现存的问题分析

1、根据上述内容不难看出，分布式特别是微机集群模式的并行渲染技术，在实际的渲染系统运行过程中，图形的渲染过程需要大量的数据传输，而当前的网络宽待很难满足这种大数据量的数据传输，所以分布式以及微机集群模式的并行渲染技术，在当前仍然受到网络款待的严重限制，并行渲染系统的功能性并不能够切实有效的发挥出来。

2、而利用微机平台实现三维地形场景并行渲染技术，主要是在操作系统提供多线程机制的条件下才能够切实有效的展开，但是其自身并不能够针对多核CPU或者是GPU的特点来形成专门的技术体系，导致其自身在应用的过程中，也受到一定的局限。

3、当前针对三维地形场景并行化的研究主要是渲染的管线部分实现并行，但是对于渲染管线的整体并行方面的研究力度仍然不足，缺少一定的理论支持以及技术讨论[7]。

六、三维地形场景并行渲染的未来发展趋势分析

1、计算机集群由于其自身的性价比以及可拓展性都比较好，并且升级方便、适用性也比较的广泛，所以在未来并行渲染技术发展的过程中，计算机集群可以逐渐成为大规模三维地形场景并行渲染的主要展现方式之一，对其进行的研究也就不断的重视起来，而对于网络宽待的问题研究也将持续进行，这样才能够有效的缓解当前计算机集群在三维地形场景并行渲染应用过程中的一系列问题[8]。

2、多核微机平台在其自身的未来发展趋势中将会成为能够实现三维地形并行渲染大规模三维场景的一个重要研究方向以及发展方向，由于多核微机和高性能图形工作站以及并行计算及的体系结构方面存在着一定的差异性，由于高性能计算机的并行渲染算法不能够直接应用到多核微机当中，所以针对多核微机的并行渲染平台需要根据其自身的实际情况、组织调度以及相对应的方式方法来推行符合其自身的新型并行渲染算法。

结束语：当前，在大规模三维地形场景高性能渲染系统的开发以及应用过程中，主要是利用分布式的机制来切实有效的实现并行渲染，从根本上提高渲染性能，并且将并行渲染的作用力充分的发挥出来，而微机平台可以说是三维地形场景当中使用最多的客户端平台，而在当前CPU以及高性能GPU自身储存量的不断提高，在微机上实行并行渲染也已经具备了一定的实现条件。

参 考 文 献

[1]卓亚芳，赵友兵，石教英.实时地形绘制算法综述[J].计算机仿真.2011（03）

[2]朱庆，龚俊，杜志强等.三维城市模型的多细节层次描述方法[J].武汉大学学报.信息科学版.2010（11）

[3]左志权，陈媛.TB级地形数据实时漫游核心算法研究[J].中国图像图形学报.2010（09）

[4]冷志光，汤晓安，郝建新等.大规模地形动态快速绘制技术研究[J].系统仿真学报.2011（10）

[5]潘少明，喻占武，王浩.基于节点分组的P2P海量地形数据共享机制[J].武汉大学学报.信息科学版.2011（06）

[6]刘扬，宫阿都，李京.基于数据分层分块的海量三维地形四叉树简化模型[J].测绘学报.2010（04）

[7]段光明，李思昆，曾亮等.一种高效的大规模三维地形遥感影像纹理映射方法[J].系统仿真学报.2011（02）

[8]朱庆.3维地理信息系统技术综述[J].地理信息世界.2010（03）