光线追踪的OpenCL加速实现研究

目前GPU计算能力让kD-Tree划分实时场景光线追踪并行算法的执行变得更具有可行性。图像处理器(GPU)高效应用于多边形的渲染,GPU内部单元的可编程性已经让其广泛应用于多边形渲染以外的领域。本文详细描述使用OpenCL的kD-Tree遍历算法,对运算占主要部分的相交测试作出改进,同时提高了GPU计算能力与存储器的利用率,从而提升了光线追踪算法效率。     

基于BRDF 和GPU 并行计算的全局光照实时渲染

基于光线追踪,将屏幕图像像素分解为投射光线与场景对象交点面片辐射亮度和 纹理贴图的合成,每个面片的辐射亮度计算基于双向反射分布函数(BRDF)基的线性组合,并通 过图形处理器(GPU)处理核心并行绘制进行加速,最后与并行计算的纹理映射结果进行合成。 提出了一种基于BRDF 和GPU 并行计算的全局光照实时渲染算法,利用GPU 并行加速,在提 高绘制效率的前提下,实现动态交互材质的全局光照实时渲染。重点研究：对象表面对光线的 多次反射用BRDF 基的线性组合来表示,将非线性问题转换为线性问题,从而提高绘制效率; 利用GPU 并行加速,分别计算对象表面光辐射能量和纹理映射及其线性组合,进一步提高计算 效率满足实时绘制需求。     

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.     

层次包围盒与GPU实现相结合的光线投射算法

针对目前基于GPU的光线投射算法中参数确定复杂的缺点,提出一种快速确定投射光线参数的算法,并利用层次包围盒技术对整个绘制过程进行加速.该算法利用离屏渲染技术,仅通过绘制体数据包围盒表面就能获取投射光线的参数;为了跳过对绘制结果无贡献的空体素,逐层对体数据进行分解,并生成层次包围盒树来存储对应子体数据的相关信息,通过遍历包围盒树,判断对应子体数据是否被绘制或跳过来缩短投射光线在体数据中的有效采样长度,从而实现了光线积分加速.实验结果表明,与同类算法相比,该算法预处理时间较短,在增加存储容量较小的同时获得了平均3.0的加速比,具有更好的实用性.     

多通道快速GPU光线投射算法

现有基于GPU加速的光线投射算法为满足实时交互的需求,通常在用户交互过程中,采用降低采样频率的方法来提高重建速度,却丢失了三维数据场的信息,极大降低了重建图像的质量.针对这一问题,在分析GPU渲染管道线和图像插值重建技术的基础上,提出多通道快速GPU光线投射算法.利用离屏渲染技术,设置比显示分辨率低4～16倍的渲染分辨率,在此渲染分辨率下进行正常采样的光线投射算法,将渲染分辨率下重建结果重新作为输入,进行高分辨率重建,并显示结果.实验结果表明,该方法可以在满足重建图像质量的前提下,有效提高重建速度.     

基于GPU快速光线跟踪算法的设计与实现

设计和实现了GPU上基于流的光线跟踪算法,采用一种基于线索二叉树的KD-Tree结构组织场景,避免了传统KD-Tree结构在遍历场景时在堆栈上的开销。算法在组织复杂场景上,优于利用传统KD-Tree和均匀剖分结构加速场景遍历的方法,在普通PC上实现了光线跟踪的快速渲染。     

基于CUDA的光线追踪优化算法研究与实现

在三维场景仿真过程中,为了实现真实的光影效果,通常采用光线追踪法对场景进行渲染。光线追踪算法的核心过程是光线与场景中的片元进行相交测试,而对于一个复杂的场景,该过程计算量非常大。为了改善光线追踪算法的计算速度问题,实现一种基于CUDA(Compute Unified Device Architecture)的光线追踪算法。该算法利用GPU的并行处理能力同时结合KD-Tree加速相交测试过程,最终提高仿真场景的渲染速度。通过实验表明,该算法的KD-Tree创建性能相比传统方法提升约20%,光线追踪性能提升约6倍。     

快速EZC-DCT地形压缩算法的并行优化

为能够在大规模地形实时渲染中提高渲染及数据压缩的速率,提出一种利用GPU并行优化的快速EZC-DCT地形压缩算法。采用二维快速DCT变换代替EZC-DCT算法中的DCT变换,在利用GPU对算法进行并行加速的基础之上,对算法的并行方案进行优化改进,更加有效地利用GPU强大的并行计算能力,分担CPU的负荷,快速完成相关计算。实验结果表明,该算法帧速率比原EZC-DCT方法提升约10个百分点,满足地形渲染的实时性要求。     

基于GPU和均匀栅格法的光线追踪算法研究

由于GPU(图形处理器)性能的大幅提高和可编程性的发展,基于GPU的光线追踪算法逐渐成为研究热点。光线追踪算法需要的计算量大,基于此,分析了光线追踪算法的基本原理,在NVIDIA公司的CUDA(计算统一设备体系结构)环境下采用均匀栅格法作为加速结构实现了光线追踪算法。实验结果表明,该计算模式相对于传统基于CPU的光线追踪算法具有更快的整体运算速度,GPU适合处理高密度数据计算。     

一个SPH流体实时模拟的全GPU实现框架

怎样实时地进行高度逼真的大规模流体模拟是图形学要研究的一个重要内容。流体的模拟由物理计算、碰撞检测、表面重构和渲染几个部分组成,因此有大量工作针对流体模拟中的各个部分算法进行GPU加速。提出一整套基于GPU的SPH流体模拟加速框架。在利用平滑粒子动力学(SPH)求解Navier-Stokes方程的基础上,借助基于GPU的空间划分PSS(Parallel Spatial Subdivision)来大幅度提升粒子碰撞的检测速度。同时,设计一种基于几何着色器(Geometry Shader)的流体表面信息的重建算法,并进一步地实现基于索引的优化,使得在流体表面重建过程无须遍历不包含表面的区域。实验结果表明,该方法能实时模拟出具有较好真实感的流体场景。     

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.     

分子可视化中的光线追踪棋盘渲染

在分子可视化中使用光线追踪渲染图像能够极大地促进研究人员对分子结构的观察和感知,但现有的光线追踪方法存在实时性能不足以及渲染质量不佳的问题.文中提出了一种光线追踪棋盘渲染方法.该方法利用棋盘渲染技术对光线追踪方法进行优化,其流程主要划分为重投影、渲染、重建和孔填充4个阶段,在各阶段中,提出了针对棋盘渲染的改进,包括光线...     

采用Intel集成众核架构的并行光线追踪加速方法

针对真实感渲染光线追踪流程中光线和场景求交计算量大、渲染速度慢的问题,提出一种基于Intel集成众核架构的并行光线追踪加速方法.在场景预处理阶段,首先构建四分支场景加速结构,以适应于MIC的硬件架构.在光线追踪阶段,首先通过CPU主核控制光线追踪整体流程,该主核采用多线程调度优化策略,调度MIC从核进行光线和场景树的求交操作,实现CPU和MIC的异步数据传输,充分利用主从核的计算能力;在MIC从核的光线和场景树求交过程中提出一种并行求交算法,充分利用MIC宽SIMD处理单元,实现光线和场景树4个结点并行求交的向量化操作,以加速求交过程.实验结果表明,与CPU原生模式相比,文中方法在光线求交阶段可达到2~4倍的加速效果,整体光线追踪流程渲染速度亦得到显著提升.     

负载平衡在三维渲染中的应用

该文介绍一种基于调整CPU和GPU(GraphicsProcessUnit)数据处理量来达到负载平衡,进而加速三维场景渲染的方法。现代GPU芯片制造技术发展非常迅速,直接导致GPU性能迅速增长,传统的通过简单地减少显卡工作量来优化渲染速度的思想已经不是十分合适了,取而代之的应该是平衡CPU和GPU的数据处理量来优化渲染,基于这个思想我们展开了一点讨论并对传统的算法作出一些修改,通过实验比较了CPU与GPU数据处理量平衡和非平衡时的渲染速度,实验结果证明了基于平衡数据处理量来进行优化渲染速度的方法是切实可行的。     

GPU上的水彩画风格实时渲染及动画绘制

论文提出了一种基于GPU 的对三维场景进行实时水彩画效果渲染的方法。 该方法的大部分过程使用图像空间的技术实现。算法将画面分为细节层、环境层、笔触层分 别渲染,再进行合成。在过程中使用环境遮挡、shadow mapping 等技术进行快速的阴影计算, 并使用图像滤镜的方法模拟水彩的多种主要特征。由于该方法以图像空间的技术为主,因此 可以利用GPU 并行处理的特点对计算过程进行加速,进而达到实时的渲染速度。最后建立 动画脚本分析系统,进行实时动画渲染,表明该方法在计算机动画、游戏等数字娱乐产业领 域有较大的应用潜力。     

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.     

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。     

基于WEB的VRML交互式光线追踪渲染

本文采用Java语言编制了一个Applet程序支持基于WEB的VRML2．0观察器。用户可以使用任何操作系统的浏览器来运行该程序，进行VRML文件的查看。该观察器采用了光线追踪算法对场景进行交互实时渲染，可以获得很好的效果。该算法对传统光线追踪算法作了适当改进以适用于交互式渲染，并采用包围盒和空间划分树(k—d树)等措施来加快渲染的速度。     

基于GPU投影网格的曲面渲染技术

研究曲面渲染技术对船舶、汽车、飞机造型虚拟的设计飞行器飞行实时仿真系统设计尢为重要.为了克服传统的曲面渲染方法的不足和提高实时性,充分利用图形处理器(GPU)不断提高的渲染能力,包括GPU的可编程性和高度并行计算特性,在GPU上实现了投影网格(Projected Grid)的视点相关的曲面渲染技术.从视点发出的投射光线穿过投影网格后,将根据可视化细节的重要程度,自动生成具有不同细节层次(Levels of Detail)的曲面网格,并且实时地更新网格的细节层次需求.在整个渲染过程中保持稳定的帧率,生成与视点相关的曲面光滑流畅.试验证明满足了实时交互性的要求,在工程虚拟仿真领域有广泛的应用前景.     

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。