GPU在实时阴影绘制中的应用

实时阴影在增强三维场景真实感方面起着非常重要的作用。阴影体算法是实时阴影绘制中效果非常理想的一种方法。但是随着场景复杂度的增加,该算法计算量比较大,将导致绘制效率的降低。另一方面,随着可编程GPU技术的发展,GPU的渲染速度远远大于CPU,为提高三维场景的渲染效率提供了更大的空间。在此基础上,介绍了一种在GPU上生成阴影体的方法,加速实时阴影绘制。利用图形硬件的图形处理单元（GPU）的运算能力和可编程性,将生成阴影体的大量计算从CPU转移到GPU,从而有效地提高实时阴影的绘制效率。     

基于GPU粒子系统的大规模场景高效雨雪实时模拟

粒子系统实现的雨雪效果能有效增强三维场景的真实感,传统基于中央处理器（CPU）运算模拟的粒子系统占用了大量CPU运算时间,难以达到实时模拟的要求。为此提出了一种基于图形处理器的（GPU）运算的粒子系统来模拟的雨雪场景。该方法通过在GPU中重复使用消亡粒子在视点坐标系内生成新粒子,并在几何着色器中将粒子的点坐标转换为矩形坐标,将CPU从复杂庞大的几何运算中解放出来,从而大幅增加了场景绘制的微粒数,使雨雪场景模拟的实时性和逼真度得到增强。     

NURBS裁剪曲面绘制方法

根据NURBS曲面在u,v参数域的偏导数动态地把NURBS曲面细分成一些四边形区域,然后用双三次Bézier曲面实现这些四边形的C1连续的逼近。完成裁剪曲面绘制这个过程需要由GPU(Graphic Processing Unit)执行两遍。第一遍先由几何着色器实现裁剪曲面的三角化,再由像素着色器生成裁剪纹理。在此基础上执行第二遍,由几何着色器实现双三次Bézier面片的镶嵌,然后由像素着色器根据裁剪纹理绘制出裁剪后的NURBS曲面。采用GPU实现NURBS裁剪曲面的绘制,把大部分的计算从CPU迁移到了GPU。     

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.     

基于GPU的实时光线投射算法

介绍了一种基于GPU（可编程图形处理单元）的快速实时光线投射算法。为满足大规模体数据集的绘制要求,利用当前GPU的新特性,直接将体数据作为纹理载入显存,采用预积分分类方法在GPU中对体数据进行重采样和分类,避免了计算机主内存与GPU纹理内存之间数据交换的瓶颈问题;利用硬件支持的三维纹理和片元着色器,实时计算每个体素的梯度,实现高质量的光照,保证高质量的图像绘制效果。实验结果表明该方法在医学三维数据场可视化中,能够实时、高效地生成高质量的交互式体可视化图像。     

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多重纹理加速三维CT图像重建

三维锥束CT图像重建运算量大,纯软件（仅使用CPU）计算时间较长。为了充分利用计算机图形处理器（Graphic Process Unit,GPU）的并行处理能力以及提高数据传输效率,研究了一种结合使用GPU多重纹理（multitexture）加速三维锥束CT的FDK图像重建过程的方法。该方法采用多重纹理映射来提高反投影速度、减少中间数据存储量、减少浮点累加次数,使用顶点颜色通道来实现距离加权运算,采用扩展方法来增加并行反投影的纹理单元,从而提高重建速度。计算机实验结果表明,使用普通PC机重建尺寸为2563的图像,在保证数据精度为16 bit浮点数的要求下,GPU反投影计算可以在10 s以内完成。与仅使用CPU的重建方法相比,GPU重建图像加速方法达到了较高的时间加速比。     

基于图形处理器的层次聚类算法效率研究

鉴于Larsen等人利用图形处理器（GPU）的多纹理技术做矩阵运算操作,以实现GPU在矩阵相乘方面的通用计算,提出一种利用GPU和CPU的协同处理模式,应用在基于层次聚类的动态近邻选择模型的聚类算法（DNNS）中,将算法中比较耗时的邻接度矩阵计算步骤交由GPU完成,而算法其余步骤由CPU执行,从而使算法的聚类效率得到显著提高。在配有Pentium IV 3.4 G CPU和NVIDIA GeForce 7800GT显卡的硬件环境下经过实验测试,证明这种协同处理模式下的运算速度比完全采用CPU计算速度要快25%左右。这种改进的层次聚类算法适合在数据流环境下对大量数据进行实时高效聚类操作。     

基于PBO的地形绘制

为了进一步解放CPU,以便更多地去利用GPU的性能,提出了一种基于PBO的地形绘制.该地形绘制在Geomipmapping地形绘制算法的基础上引入了PBO,其过程是纹理在CPU的控制下直接被送到PBO,在GPU的控制下再从PBO把数据复制到纹理对象.同时为了适应PBO的异步传输机制,引入了双PBO机制.实验结果表明,基于PBO的地形绘制不但充分利用了GPU的性能,同时也极大程度地解放了CPU,使CPU能直接进行其它的工作,基于PBO的地形绘制算法符合当前以GPU为核心的地形绘制.     

GPU实时构建四叉树的快速地形渲染算法

针对传统四叉树场景渲染CPU占用率高、带宽开销大的缺陷,提出一种适合于GPU实现的四叉树场景分割和渲染算法.利用纹理和像素着色器实时构建四叉树,使用几何着色器实现GPU对四叉树的遍历和场景分割;针对已有的动态构建算法中裂缝消除算法难以用GPU实现的缺点,通过在四叉树构建中引入"过渡集"的概念,有效地消除了不同分辨率层次之间可能出现的裂缝.实验结果证明,与传统的动态构建算法相比,文中算法易于GPU实现,无需CPU干预,并降低了带宽开销,可以达到较高的帧速率.     

3D非均匀直线网格GPU体绘制方法研究

计算机图形硬件技术的快速发展可以用来加速可视化过程,为此针对非均匀直线网格,给出了基于均匀辅助网格的CPU光线投射算法、基于辅助纹理的GPU光线投射算法,以及基于切片的3D纹理体绘制算法,并在Nvidia Geforce 6800GT图形卡上对这些算法进行了测试。结果表明,GPU算法远远快于CPU算法,而基于切片的3D纹理体绘制算法则快于GPU光线投射算法。     

一种基于GPU硬件加速计算的辐射度实现方法

提出一种新的基于GPU(graphics processing unit)的辐射度方法．该方法利用可编程图形处理单元GPU的并行计算能力,将辐射度方法中形状因子计算以及线性方程组求解的全过程完全在可编程图形硬件中完成,避免了原有基于GPU的辐射度方法需要CPU参与的问题,绕开了计算机主内存与GPU纹理内存之间数据交换的瓶颈;在基于半立方体法的形状因子计算和绘制过程中,解决了基于GPU硬件加速的遍历、分类和累加问题．此外,该方法采用新的矩阵和向量在GPU中的存储方法,利用GPU实现Jacobi迭代法快速求解线性方程组．实验结果证明。该方法能够快速有效地实现辐射度的计算和绘制．     

View-dependent refinement of multiresolution meshes using programmable graphics hardware

View-dependent multiresolution rendering places a heavy load on CPU. This paper presents a new method on view-dependent refinement of multiresolution meshes by using the computation power of modern programmable graphics hardware (GPU). Two rendering passes using this method are included. During the first pass, the level of detail selection is performed in the fragment shaders. The resultant buffer from the first pass is taken as the input texture to the second rendering pass by vertex texturing, and then the node culling and triangulation can be performed in the vertex shaders. Our approach can generate adaptive meshes in real-time, and can be fully implemented on GPU. The method improves the efficiency of mesh simplification, and significantly alleviates the computing load on CPU.     

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。     

CPU-GPU混合平台上动态场景光线跟踪的研究

提出了一种动态场景光线跟踪新方法,能有效地调度CPU和GPU的运行,提高渲染速度。根据加速结构kd-tree的特点,将其分成上层部分和下层部分,上层部分由于并行性较小,由CPU创建;而下层部分并行性较大,由GPU创建,提高动态场景加速结构的创建速度。同时充分利用CPU和GPU两个运算平台的特点,有效调度两者的运行,隐藏部分运算时间,进一步提高动态场景的渲染速度。实验结果表明,在安装了GeForce285GTX的PC机上,高真实感地交互渲染了包含11k三角面片的Kitchen动态场景。     

基于GPU的快速Level Set图像分割

水平集(1evel set)图像分割方法是图像分割中的一个重要方法，但是该算法的计算量大，往往不能达到实时处理的要求。给出了利用新一代的可编程图形处理器(GPU)实现level set的加速算法。首先介绍了如何在GPU上利用片元渲染程序进行网格化的线性运算和有限差分PDE计算，把level set方法的离散化算子映射到GPU上。由于以数据流处理方式的GPU的存储访问快，具有并行运算能力，同时level set算法演化的显示不再需要把数据从CPU传到GPU，因此较大地提高了算法速度与交互显示。文中实现并测试了一个与初始化状态独立的二维level set的算子用于图像分割，并对其运算结果和性能进行了比较，结果表明该方法具有更快的速度。     

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。     

Perception-motivated multiresolution rendering on sole-cube maps

This paper presents a novel GPU-based multiresolution rendering on sole-cube maps (SCMs), which is a variant of geometry images built upon spherical parameterization. Given spherical parametrization of a manifold mesh, the sphere domain is gnomonically projected to a closed cube, which constitutes the 6-chart sole-cube maps. A quadtree structure of SCMs and normal map atlas are then constructed by using the regular re-sampling. Then, by packing the quadtree nodes into the SCMs texture atlas, a new parallel multiresolution rendering is processed on the latest GPU in two rendering passes: the multiresolution node selection in fragment shader; the triangulation in vertex shader followed by the node culling operation in geometry shader. The proposed approach generates adaptive mesh surfaces dynamically, and can be fully implemented in GPU parallelization. The proposed scheme alleviates the computing load of multiresolution mesh refinement on CPU, and our GPU-based multiresolution rendering is demonstrated with a variety of examples. Our user study confirmed that the visual quality of the SCMs multiresolution rendering, in comparison with the meshes/geometry images rendering, is also highly efficient especially for complex models in large-scale virtual environment.     

Parallel computing of 3D smoking simulation based on OpenCL heterogeneous platform

Open Computing Language (OpenCL) is an open royalty-free standard for general purpose parallel programming across Central Processing Units (CPUs), Graphic Processing Units (GPUs) and other processors. This paper introduces OpenCL to implement real-time smoking simulation in a virtual surgery training simulation system. Firstly, the Computational Fluid Dynamics (CFD) is adopted to construct the real-time smoking simulation model based on the Navier?CStokes (N-S) equations of an incompressible fluid under the condition of normal temperature and pressure. Then we propose a parallel computing technique based on OpenCL to accomplish the parallel computing of smoking simulation model on CPU and GPU, respectively. Finally, we render the smoke in real time by using a three-dimensional (3D) texture volume rendering method. Experimental results show that the parallel computing technique we have proposed achieve a satisfactory effect on image quality and rendering rate both on CPU and GPU.     

结合视点变换的三维地形无缝绘制算法

针对传统地形裂缝消除技术普遍存在构网速度慢,层次约束强等问题,提出了一种结合视点变换的地形无缝绘制算法。该方法首先根据精度生成LOD粗模型,然后利用纹理映射技术生成精细网格,并根据视点动态调整顶点位置以消除因层次细节过渡产生的T型裂缝。此外,通过CPU-GPU协同工作的方式,将批量构网及渲染的工作从CPU移植到GPU中,提升了整个系统的处理速度。实验结果表明,该方法可以有效消除地形裂缝,保证网格平滑过渡。