GPU实现的快速分层地形渲染算法

随着GPU性能的飞速提升,越来越多的地形渲染算法能够完全由GPU实现.本文提出了一种新的完全基于GPU的地形渲染算法.该算法使用顶点着色器完成中间数据生成,在几何着色器中使用之前生成的信息完成地形的LOD操作和网格的动态生成.该算法不仅具有易于在GPU上实现的特点,同时能够提供无缝的、自适应地形起伏的渲染效果.这也顺应了图形学的主流:将图形计算或对几何体的操作从CPU转移到GPU上,从而做到无需CPU的干预,降低数据传输量,节约通信带宽的目的.实验证明,该算法适合于处理较大规模地形块.     

基于二叉树和GPU的无缝地形场景渲染方法

设计了一种基于图形处理器(GPU)的无缝地形渲染方法。该方法基于二叉树构建多层次地形网格,该网格用基于行、列号的地形模板表示。在设计过程中,将高程数据转化为适于GPU读取的高程纹理图,再通过顶点纹理提取(VTF)技术从纹理图中采样出高程值用于渲染,整个过程在GPU端完成,提升了地形数据访问效率。同时,采用实时优化自适应网格(ROAM)算法的强制拆分法,通过控制相邻地形块的等级来消除裂缝。最后,采用TriangleStrip方式进行渲染,避免了相邻三角形中顶点坐标数据的重复传递,减少了传递到GPU的数据量。用两块地形数据对算法渲染效率进行了检验,并将算法与Clipmap算法进行了帧率对比。结果表明,该算法有效解决了分块数据的裂缝问题,达到了交互式地形渲染的要求。     

GPU加速的圆弧轨迹Katsevich锥束CT重建算法

通过改进GPU的渲染到纹理策略加速锥束反投影计算,提高了圆弧轨迹Katsevich锥束CT重建算法的执行效率.在CPU中完成投影数据的滤波处理,并将其重排为四通道浮点纹理载人GPU内存;绑定2个浮点输出纹理到帧缓冲对象的不同绑定点,用于将渲染结果输出到纹理,并同时完成反投影数据的累加计算;将矩形网格编码为四叉树结构用于加速物体切片的绘制.实验结果表明,文中算法在较大锥角时仍能重建出高质量图像,并获得接近于实时的重建速度.     

基于GPU的多属性数据快速融合渲染研究

由于传统的渲染技术是使用CPU 进行数据体颜色计算或融合处理的,这种技术对大规模数据体进行渲染时 效率低、时间长,针对这种情况提出一种采用GPU 进行数据体颜色计算和融合处理的方法。该方法充分利用GPU 强大的并 行处理能力,将待渲染的数据以纹理形式提交给GPU,由GPU 进行必要的颜色插值和融合处理后直接渲染。实验结果表明, 该方法能够将多种属性融为一体,有机地结合了各属性的优点,能对油气储层进行综合评价,提高储层分析和解释的准确度, 并且使用了硬件加速功能,渲染速度快。     

屏幕空间自适应的地形Tessellation绘制

为了在大规模真实感地形渲染中利用GPU硬件加速的Tessellation技术,在对地形Tessellation原理分析的基础上,提出一种屏幕空间自适应的地形Tessellation绘制算法,实现了在GPU内部对地形模型的三角形自适应细分。该算法采用Tile和Patch的形式对地形数据进行分层组织,在CPU和GPU上分别以Tile和Patch为基础实现地形LOD(level of detail)的自适应简化;提出在Hull Shader上基于Patch边界的细分系数计算模型,确保了Patch细分时的无缝连接;给出了Domain Shader上置换贴图的处理过程,以实现细分顶点的高程纹理映射;并且采用了两级视锥体裁剪机制,减少了渲染数据的冗余量。实验结果表明,该算法具有较好的屏幕空间自适应性和渲染性能,能够在输入粗糙网格的基础上,渲染输出高分辨率几何细节特征的地形模型。     

GPU适用的并行纹理合成算法

基于样图的纹理合成是一个大计算量过程,为了利用GPU的并行计算能力进行大规模纹理合成,我们提出一种并行纹理合成算法.该算法综合块查找和全局纹理优化算法分多遍进行纹理的合成和优化,其中每一遍分为串行纹理块定位和并行最优块匹配2个阶段.纹理块定位阶段在CPU端按照扫描线顺序确定待合成的邻域,并将邻域位置传入GPU;最优块匹配阶段在GPU端并行计算待合成邻域与对应样本邻域的全局距离,并查找出最优解得到匹配块.最后根据匹配过程统计数据自适应调整优化规模,在全局范围内对纹理进行迭代优化.实验结果表明,文中算法在保证大规模纹理合成效果的基础上减少了计算时间,能够满足交互式纹理合成的应用.     

基于纹理数组的大规模地形绘制算法

将Shader Model 4.0引入的纹理数组技术同顶点纹理拾取技术、瓦片块四叉树算法和地形分块技术等相结合,提出了一种基于GPU的大规模地形绘制方法。将整个大规模地形数据分割成地形块,按照金字塔模型保存在CPU内存里,将地形中潜在的可见部分以纹理数组形式驻留在GPU Cache里;在CPU上发送瓦片块四叉树平面网格,利用存储在GPU Cache里的高程值生成相应的地形;GPU Cache随着视点运动而连续更新。实验证明该方法充分利用了现代GPU的特性,适合于大规模地形的漫游。     

GPU加速的八叉树体绘制算法

提出一种针对物体空间为序体绘制的空域跳过算法：采用双层次空间跳过,先以规则的数据分块作粗略地跳过,再以八叉树获得更高粒度的优化。该方法进一步解决了超过可用纹理内存容量的大规模体数据实时绘制问题,允许实时改变传递函数。针对该算法引入的CPU高负载瓶颈,提出一种新算法,在图形处理器(GPU)内快速计算采样面片,平衡了CPU与GPU间的运算负载。结合上述两种算法,实现高效的大规模体数据绘制并无损图像质量。     

基于GPU的动态地形实时可视化

针对动态地形中车辙实时可视化的要求,利用OpenGL帧缓冲区对象（framebuffer object）和顶点纹理拾取（vertex texture fetch）功能,提出了一种基于GPU的动态地形可视化算法。首先利用高程图（heightmap）直接产生初始的地形深度纹理,然后通过配置渲染状态生成车辆深度纹理,接着生成表示地表顶点下陷位移的地形深度偏移纹理,最后利用顶点纹理拾取实现了连续更新的车辙效果。给出了完整的动态地形可视化算法,最后通过实验证明该方法是可行的、有效的。     

一种基于GPU的预计算辐射度传递全频阴影算法

针对基于CPU的实时渲染全频阴影算法中内存使用效率低下、CPU运算能力消耗严重等问题,提出了基于GPU的改进算法．在预计算过程中使用基于小波变换的预计算辐射度传递（PRT）算法生成PRT矩阵,然后将其编码为易于被GPU使用的稀疏形式;在渲染过程中使用具有高度并行性的片断渲染器程序进行稀疏矩阵向量快速乘法计算,以求得最终渲染结果．相对于目前基于CPU的相应算法,算法充分利用了GPU的并行计算能力,平衡了CPU与GPU之间的负载,并同时降低了内存消耗．在一般情况下,算法可以获得超过一个数量级的性能提升．     

基于CUDA海量空间数据实时体绘制研究

针对海量空间科学数据的精细及实时三维绘制需求,提出并实现了一种基于CUDA语言的并行化光线投射体绘制加速算法,利用传统体绘制算法中光线投射法的可并行特点和GPU中高速的纹理查询的优点,通过一个实际坐标到纹理坐标的转换函数实现了对不规则采样数据的准确采样,并完成了绘制算法的CUDA并行化改造,通过CUDA语言利用GPU强大的并行计算能力实现了对海量空间数据的实时三维光线投射绘制.     

Dynamic shader generation for GPU-based multi-volume ray casting

Real-time performance for rendering multiple intersecting volumetric objects requires the speed and flexibility of modern GPUs. This requirement has restricted programming of the necessary shaders to GPU experts only. A visualization system that dynamically generates GPU shaders for multi-volume ray casting from a user-definable abstract render graph overcomes this limitation.     

基于图形处理器加速光线投射算法的多功能体绘制技术

为克服传统算法中体绘制交互速度不流畅、重建耗时长、绘制效果单一的不足,实现了基于图形处理器(GPU)的光线投射算法用于医学层析图像实时体绘制,并能快速切换不同组织器官的绘制效果。首先,读入医学层析图像到计算机内存,构造体素;然后,设置相应体素属性(如插值方式、着色处理、光照参数)等,设计显示不同组织器官的颜色及不透明度传输函数;最后,GPU加载体素据并进行光线投射算法的计算。实验结果表明,在绘制速度上,GPU加速光线投射算法实现的多功能体绘制技术的绘制速度能达到每秒40帧以上,完全满足临床应用需求。在绘制质量上,用户交互中由于重采样而产生的锯齿现象明显低于CPU端实现的光线投射算法,GPU端与CPU端绘制时间的加速比在9倍左右。     

Crack‐free rendering of dynamically tesselated B‐rep models

We propose a versatile pipeline to render B‐Rep models interactively, precisely and without rendering‐related artifacts such as cracks. Our rendering method is based on dynamic surface evaluation using both tesselation and ray‐casting, and direct GPU surface trimming. An initial rendering of the scene is performed using dynamic tesselation. The algorithm we propose reliably detects then fills up cracks in the rendered image. Crack detection works in image space, using depth information, while crack‐filling is either achieved in image space using a simple classification process, or performed in object space through selective ray‐casting. The crack filling method can be dynamically changed at runtime. Our image space crack filling approach has a limited runtime cost and enables high quality, real‐time navigation. Our higher quality, object space approach results in a rendering of similar quality than full‐scene ray‐casting, but is 2 to 6 times faster, can be used during navigation and provides accurate, reliable rendering. Integration of our work with existing tesselation‐based rendering engines is straightforward.     

使用GPU编程的光线投射体绘制算法

将传统的光线投射体绘制算法在具有可编程管线的图形处理器(GPU)上重新实现.首先将体数据作为三维纹理保存在显存中,然后通过编写顶点程序和片段程序将光线进入点/离开点计算和光线遍历的计算移入GPU中执行,最后根据不同的采样点颜色混合公式实现不同的绘制效果.文中算法仅需绘制一个四边形即可完成三维重建.实验结果表明:在进行光照效果的重建时,该算法能够达到实时交互的绘制要求,并能实现半透明等复杂绘制效果.     

基于打包索引纹理的大规模数据体绘制算法

针对大规模数据体绘制效率低下的问题,提出一种算法：对体数据进行纹理分块打包,移除空数据块,并创建数据块的索引数据,绘制时通过索引访问打包后的纹理实现大规模数据完全载入显存,同时在索引中标记空数据及高密度数据块的位置,绘制前生成其有效的立方体数据表达,结合早期光线终止与空域跳过等加速技术,有效地实现了大规模的体数据的实时绘制,同时保证了结果图像的质量。     

视点相关的层次采样:一种硬件加速体光线投射算法

光线投射是一种高质量的体绘制方法.它以图像空间为序,逐根光线遍历和采样体数据.因此,传统上,它只能在CPU上实现,因而速度慢,交互性不好.提出了一个新的视点相关的层次采样VDLS (view dependent layer sampling)结构,VDLS将光线上的所有采样点重新组织成一系列层,并简化为两个视点相关的几何缓冲器,进而在GPU(graphics processing unit)中用两个动态纹理表示.利用GPU的可编程性,光线投射算法的6个步骤(光线生成、光线遍历、插值、分类、着色和颜色合成)得以完全在GPU中实现.在此基础上,提出两个基于体空间和图像空间连贯性的加速技巧,快速剔除无效的光线.结合其他与渲染和颜色合成有关的技巧,VDLS将面向多边形绘制的图形引擎转化为体光线投射算法引擎,在透视投影方式下,每秒能处理1.5亿个插值、后分类与着色的光线采样点.实验结果表明,提出的方法能用于医学可视化、真实物理现象模拟、材质检测中灰度体数据快速交互的可视化与漫游.     

GPU加速的台风可视化方法

自然现象的可视化是计算机图形学和虚拟现实领域的重要研究内容。对传统光线投射算法分析的基础上进行改进,提出基于球壳体的光线投射算法。将GPU运用于球壳体数据场的体绘制,设计了基于球壳体数据场的顶点着色程序和像素着色程序。同时,对台风源数据格式进行解析,生成了用于台风可视化的体数据,采用提出的算法实现了台风云层和因子的可视化。实验结果表明,本文基于GPU的球壳体光线投射算法在球体表面较好地实现了实时台风可视化效果。     

一种基于GPU的改进光线投射算法

针对传统光线投射算法计算量大、速度慢、在没有硬件加速情况下难以实时重建的问题,提出了一种基于GPU编程的快速计算重采样点值的光线投射算法。首先,设计一个GPU程序确定投射光线的终点与方向;其次,采用加速度步长采样方法确定重采样点的位置并利用快速复合插值方法计算重采样点的颜色值;最后,采用不透明度提前截止法进一步加速重建过程。实验结果表明,该方法计算复杂度低、执行效率高。在保证重建图像质量的同时,与现有基于CPU的光线投射算法相比,重建速度提高6倍,与基于GPU的传统光线投射算法相比,速度提高2倍。