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.     

基于GPU的快速色阶映射算子实现

为了提高色阶映射计算的效率,设计了基于GPU的快速色阶映射算法.首先结合基本规约算法和GPU的并行运算特征设计了基于两个核函数的最大亮度计算方法,然后通过区域中间值共享计算以像素为中心的区域平均亮度,最后针对视屏处理,提出利用纹理缓存池解决CPU读数据和GPU处理数据速度不匹配的问题,并根据像素子集最大亮度自适应地更新全局最大亮度.实验结果相对相同算法的CPU实现得到了4～5倍的速度提升,表明所提出的算法能够充分利用GPU的并行性,并减少了大量重复运算,满足实时渲染的要求,并且对不同规模的纹理具有良好的适应性.     

可变材质的实时全局光照明绘制

现有的基于预计算的全局光照明绘制算法都假设场景中物体的材质固定不变,这样,从入射光照到出射的辐射亮度之间的传输变换就是线性变换.通过对这种线性变换的预计算,可以在动态光源下实现全局光照明的实时绘制.但是,当材质可以改变时,这种线性变换不再成立,因此,现有算法无法直接用于动态材质的场景.提出了一种方法:在修改场景中的物体材质时,可以实时得到场景在直接光照和间接光照下的绘制效果.将最终到达视点的辐射亮度根据其之前经过的反射次数及相应的反射材质分为多个部分,每个部分和先后反射的材质的乘积成正比,从而把该非线性问题转化为线性问题.又将所有可选的材质都表示为一组基的线性组合.将这组基作为材质赋予场景中的物体,就有各种不同的组合方式,预计算每种组合下所有部分的出射辐射亮度.在绘制时,根据各物体材质投影到基上的系数线性组合预计算的数据就能实时得到最终的全局光照明的绘制结果.该方法适用于几何场景、光照和视点都不发生变化的场景.使用双向反射分布函数来表示物体的材质,不考虑折射或者半透明的情况.该实现最多包含两次反射,并可以实时绘制得到一些很有趣的全局光照明效果,比如渗色、焦散等等.     

基于线性变换球面分布的实时间接光泽反射

目的 在实时渲染领域中,立即辐射度算法是用于实时模拟间接光泽反射效果的算法之一。基于立即辐射度的GGX SLC(stochastic light culling)算法中使用符合真实物理定律的GGX BRDF(bidirectional reflectance distribution function)光照模型计算间接光泽反射,计算复杂度很高,并且其计算开销会随着虚拟点光源的数量呈明显的线性增长。为解决上述问题,提出一种更高效的实时间接光泽反射渲染算法。方法 基于数学方法中的线性变换球面分布,将计算复杂度很高的GGX BRDF球面分布近似为一种计算复杂度较低的球面分布,并基于该球面分布提出了在单点光源以及多点光源环境下的基于物理的快速光照模型。该光照模型相比GGX BRDF光照模型具有更低的计算开销。然后基于该光照模型,提出实时间接光泽反射渲染算法,计算虚拟点光源对着色点的辐射强度,结合多点光源光照模型对着色点着色,高效地渲染间接光泽反射效果。结果 实验结果表明,改进后的实时间接光泽反射算法能够以更高的渲染效率实现与GGX SLC算法相似的渲染效果,渲染效率提升了20%～40%,并且场...     

利用形状因子采样的实时全局光照绘制

为了对物体表面材质进行实时编辑,提出一种动态光照和任意视点条件下的实时全局光照算法.该算法预计算各面片的形状因子,并存储其中较大的形状因子值和相应的面片号,这些面片是光照贡献最大的面片.一次间接光照利用这些面片计算,并用亮度补偿策略增加计算精度,而二次及多次间接光照则用近似公式估算,整个光照计算过程在GPU中完成.实验结果表明,文中算法在视点改变、光照改变和材质改变情况下,对静态场景能获得逼真的实时全局光照绘制效果.     

一种改进的基于CUDA的纹理映射和光线投射结合的体绘制算法

针对传统的基于GPU的光线投射算法绘制效率较低的问题,利用CUDA架构的并行计算特性和对三维纹理的处理能力进行改进和优化.将体数据映射为三维纹理,利用CUDA三维数组进行存储与绑定,纹理拾取的浮点返回值利用线性滤波进行平滑.在传输函数的设计中引入中心差分梯度幅值增强对体数据边界面的绘制效果.每条光线的求交及颜色积累采用并行计算,按照由前向后进行颜色及不透明度累积.设置不透明度阈值,采用不透明度提前终止加速绘制.实验结果表明,绘制速度较传统的基于GPU算法有10％的速度提升,绘制效果也有很大的改善.     

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.     

基于预计算辐射传递的全局光照技术

为了在大规模场景中渲染出高效率和高真实感的全局光照效果,以图形处理器（GPU）渲染管线流程为可编程基础,利用球面和谐函数进行解码,并且在预计算过程中通过使用小波重建高频部分的信号,来解决预计算辐射传递(PRT)计算过程中丢失掉的高频信号,以免丢失细节变化。在实时渲染全局光照过程中,利用大规模场景的可见性信息进行自适应的细分,使得绘制效率提高。实验结果表明该方法在仿真系统下能够高效真实地渲染出全局光照效果,有较高的绘制效率和真实感。     

带材质的GPU加速体绘制算法

在体绘制过程中,为了给物质表面加入材质(光照和纹理)来提高结果的可读性,提出一种带材质的体绘制算法.通过引入2D球面光照贴图,用纹理映射替代了GPU中复杂的光照模型计算;利用物质表面单位法向量索引球面光照贴图中对应点的颜色信息,从而给物体表面赋予各种材质属性;并结合基于3D纹理的GPU光线投射算法完成绘制.实验结果表明,该算法简单易行,在增强可视化效果的同时使得绘制的效率也得到提升.     

基于CUDA的弱可压SPH流体建模与仿真

为了实现小尺度范围流体场景的实时、真实感模拟,采用弱可压SPH方法对水体进行建模,提出了流体计算的CPU GPU混合架构计算方法。针对邻域粒子查找算法影响流体计算效率的问题,采用三维空间网格对整个模拟区域进行均匀网格划分,利用并行前缀求和和并行计数排序实现邻域粒子的查找。最后,采用基于CUDA并行加速的Marching Cubes算法实现流体表面提取,利用环境贴图表现流体的反射和折射效果,实现流体表面着色。实验结果表明,所提出的流体建模和模拟算法能实现小尺度范围流体的实时计算和渲染,绘制出水的波动、翻卷和木块在水中晃动的动态效果,当粒子数达到1 048 576个时,GPU并行计算方法相较CPU方法的加速比为60.7。     

基于GPU的实时深度图像前向映射绘制算法

提出一种完全基于GPU(graphics processing unit)的实时深度图像绘制流程.该方法利用GPU的并行计算特性对深度图像的绘制过程进行加速.推导出一种在vertex shader上进行的三维前向映射方法,对输入像素进行前向映射,以得到更高的绘制性能,并利用图形硬件流水线的光栅化功能高效地进行图像的插值重构,以得到连续无洞的结果图像.在pixel shader上进行逐像素的光照计算,生成高品质的光照效果.实验表明,该方法可以高速地进行满屏绘制,准确地保留物体轮廓信息和正确的遮挡关系.还实现了基于该方法的实时漫游系统.该系统能够实时地绘制多个基于柱面深度图像表示的对象,并能对其进行视相关的动态LOD(level of detail)操作.     

采用重要性面片采样的实时全局光照

提出了一种实时全局光照的计算方法。该方法支持任意视点下动态光源的一次间接光照计算,并且物体表面材质可实时编辑,该算法预计算了各面片上的形状因子来解决遮挡问题,并记录形状因子较大的重要性面片作为间接光源。渲染时先从光源方向对场景记录了一个扩展的阴影图,包含了光源照射到的面片ID和其光通量,再根据采样好的间接光源来计算间接光照。使用CUDA,整个光照计算过程在GPU中完成,可以对静态场景进行实时渲染,并能达到逼真的渲染效果。     

高质量的三维纹理硬件体绘制

与光线投射法相比,传统的3D纹理体绘制算法通常难以产生高质量的图像。为了增强渲染图像的真实感与质量,在基于GPU（Graphics Processing Unit）的三维纹理体绘制过程中以交互的速率实现了体阴影效果,并考虑现实图像合成中的可视化感知,提出将基于GPU的高动态范围色调映射技术应用到体绘制得到的结果图片中。最后对一些体数据集进行绘制,实验表明这些技术较好地解决了传统纹理绘制方法的缺点,提高了图像的质量。     

硬件加速的等值面提取与绘制

图形硬件的发展为通用计算提供了新的平台.利用图形硬件的高密集和并行运算能力,将非规则四面体网格数据映射为纹理,在GPU中从每个四面体提取等值面片,并将其绘制到纹理而得到最终等值面.基于Cg着色器编程语言实现三维雷达作用范围表现的实验结果表明:该方法有效的减轻了CPU负担,提高了等值面提取速度,适于实时应用.     

变化光照的对象图像合成

光照是真实感图形绘制和许多图像应用中的一个非常重要的因素.提出了一种完全基于图像的方法来反映光照变化在绘制对图像时的影响.所提出的方法不是直接去估计对象反射模型中的参数,或是去拟合BRDF函数,而是用奇异值分解(SVD)来拟合Lambertian 对象在光照和几何朝向变化情况下的所有图像集合.其中,光线方向的解析表达可以由样本图像、基图像以及已知类对象的图像集导出,对象在新的光线方向下的图像可通过适当地线性组合基图像而有效地绘出.另外,利用对SVD系数的线性插值可以生成反映对象几何朝向和光线变化的连续变形     

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.     

基于光线投射的全GPU实现的地形渲染算法

地形渲染算法需要处理大量的地形及纹理数据,影响三维动画显示的流畅性和性能提高。随着GPU绘制能力提高,CPU与GPU的负载失衡逐渐成为制约性能提高的瓶颈。结合现代GPU体系结构,在GPU上实现了基于光线投射（Ray Casting）的地形渲染算法。算法简化了Ray Casting算法,把LOD策略和预裁剪统一到GPU中实现,保证了CPU和GPU之间的负载平衡,同时简化了应用程序的编制。为获得较好效果,还采用查找表（Lookup—Table）的实时纹理合成算法合成纹理,进一步降低了CPU处理纹理数据的开销。实验表明,本文算法不仅充分利用了GPU的处理能力,还降低了CPU负载,提高了动态三维重建的帧刷新率,并获得较逼真的渲染效果。     

GPU单散射并行绘制算法

为了加快介质单散射绘制的速度,提出一种基于GPU的介质单散射并行绘制算法.首先利用光线与场景的交点链表以及光线与介质包围盒的交点计算光线在介质空间中的传播路径;然后进行Ray Marching计算介质单散射光照,使得绘制过程高度并行化.在此基础上,提出图像空间的插值加速算法,利用单散射只与Ray Marching的深度、采样点到光源的距离以及局部介质属性有关的特点,通过定义适当的插值函数在网像空间对像素进行插值,减少Ray Marching的次数,节省绘制时间开销.实验结果表明,文中算法可达到可交互的绘制效率,且不需要预计算,并支持用户在绘制过程中实时修改光照和介质属性,包括各向异性的均匀和非均匀介质.     

基于OpenCL的实时KD-Tree与动态场景光线跟踪

目前,基于GPU或多核CPU加速的光线跟踪算法是与硬件相关的.研究具有跨平台性能的实时光线跟踪算法既具有挑战性,又具有很强的应用价值.为此,提出一种基于OpenCL并且跨平台的动态场景实时光线跟踪绘制算法.首先通过对通用GPU并行处理性能进行发掘,将光线跟踪中KD-Tree建立、场景遍历和绘制3个过程均设计在GPU上,而CPU只负责其中各过程的调度,从而充分利用了GPU的计算性能,并有效地降低了数据传输开销;通过设计并行分区、并行SAH、紧密的数据管理以及区间性叶结点存储等算法,在GPU中高效、高质量地建立动态场景的KD-Tree,同时高质量的KD-Tree也有效地加速了场景的遍历速度.该算法以广度优先和大规模并行模式建立K D-Tree,更具通用性,既可以运行于NVIDIA GPU(CUDA GPU),也可以运行于AMD GPU.实验结果表明,文中算法可以在NVIDIA GPU和AMD GPU上对中等规模的动态场景实现实时光线跟踪绘制.     

一种基于哈尔小波的软阴影渲染算法在GPU上的实现

由于小波相比球面谐波函数能够更好地表现许多高频光照细节,哈尔小波被越来越多地被应用在许多基于PRT的全局光照渲染算法中.在PRT框架下,利用小波变换对光照、遮挡、BRDF等函数进行预处理.然后,利用所得到的预处理数据,在GPU上来实时地渲染软阴影.在渲染过程中,使用Tree-structured算法来计算渲染方程.为了能在GPU上实现该算法,对该算法中所用到数据结构的实现方式进行重新设计,并对该算法的实现过程进行调整和优化.同时,利用GPU的一些特性,在一些实现细节上也进行了相应优化.