[發(fā)明專利]實時二級光線跟蹤的并行渲染方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010150566.4
• 申請日: 2010-04-19
• 公開（公告）號: CN101826215A
• 公開（公告）日: 2010-09-08
• 發(fā)明（設計）人: 許端清;楊鑫;趙磊;葛蓉
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06T15/50
• 分類號: G06T15/50;G06T1/20
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發(fā)明涉及圖形實時渲染技術領域，尤其涉及一種基于多核架構的二級光線跟蹤的并行渲染方法。

背景技術

虛擬現(xiàn)實技術已經(jīng)成為工業(yè)設計領域中越來越重要的手段。尤其是在一些大型的高端工程項目里，如汽車、飛機制造等行業(yè)，由于制造真實的物理模具花費很高，因此這些項目已經(jīng)開始使用數(shù)字化技術進行設計工作。由于一些最佳的效果只能出現(xiàn)在實時的交互設計中，例如，在車燈設計中，一些高光效果只能出現(xiàn)在特定的視點位置或者光照條件下，因此實時性是工業(yè)設計的一個基本要求。為了實現(xiàn)實時性，當前的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)基本上采用的是光柵化(rasterization)的繪制技術。但是由于這種算法自身的局限性，很難向工業(yè)設計者們提供高真實感的畫面，例如，光柵化繪制技術無法準確的繪制出光線的多重反射、折射、自反射(self-reflection)以及曲面反射(curved?reflection)等效果，這樣就可能出現(xiàn)錯誤的設計，進而導致昂貴的制造費用，降低工業(yè)設計的效率。

光線跟蹤技術是一種在圖形繪制領域廣泛應用的技術。相比光柵化技術，光線跟蹤技術有很多優(yōu)勢，包括物體可見性的自動計算，時間復雜度與場景中圖元數(shù)量呈次線性關系，更適合并行架構處理等。但是，由于光線跟蹤技術模擬的是真實世界中光的物理路徑，因此它最大的優(yōu)勢是產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像，繪制出高真實感的平滑的反射、折射、軟影(soft?shadow)等全局光照效果。Whitted最早使用光線跟蹤技術來模擬全局光照效果。由于光線跟蹤技術需要花費很高的計算量，因此以往這種技術只能應用在非實時繪制領域中。

當前，計算機硬件的計算能力呈指數(shù)形式的增長速度已經(jīng)使交互式的實時光線跟蹤成為可能。現(xiàn)代的高性能硬件并行架構主要有兩個重要的特征：多個核的并行計算，以及每個核內(nèi)SIMD(single?instruction?multi?data)形式的操作方式。光線跟蹤算法本身就是適合并行處理的算法，因此可以很好的利用高性能硬件的這些新的特性。一方面，NVIDIA?G80/G92架構已經(jīng)使得GPU的性能和可編程性大大提高，其編程平臺CUDA(ComputeUnified?Device?Architecture)使GPU本質(zhì)上成為一個高度并行化的通用處理器。NVIDIA?G80/G92架構內(nèi)有多個核，每個核內(nèi)有多個流處理器，這些流處理器以SIMD(準確地說，應該是SPMD形式，即single?program?multidata)形式同時執(zhí)行多個線程。另一方面，現(xiàn)代CPU的設計也不再一味追求處理器時鐘頻率的提高，而是開始在一個芯片上集成更多的處理核心，同時每個核可以通過SIMD指令進行數(shù)據(jù)的并行處理，如Intel的SSE、IBM/Motorola的Altivec指令集，Intel最新的SSE4指令集已經(jīng)使SIMD指令的處理寬度達到8，而Inter即將發(fā)布的Larrabee架構將采用更多的處理核，同時使SIMD處理寬度達到16。

另一方面，將一個算法映射到SIMD數(shù)據(jù)處理模式下處理顯然要比將算法分成多個線程分配到多個核處理復雜得多，而且這種復雜程度會隨著SIMD的寬度的增加而增加。當前，多數(shù)算法主要是針對SIMD寬度為4而設計的，在一個處理核上順序執(zhí)行，因此算法設計相對容易。但是未來的硬件并行架構的發(fā)展趨勢必將是整合更多的處理核，同時SIMD寬度越來越大，如何有效地使用硬件的這些新特性并將其應用到光線跟蹤算法中，使硬件的計算能力得到最大程度上的有效利用，是光線跟蹤領域迫切需要解決的問題。

設計出一種高質(zhì)量的快速的加速結(jié)構構造方法，使其可以充分利用多核處理器強大的并行處理能力，從而使加速結(jié)構建造速度進一步加快，滿足實時性的要求，是一個光線跟蹤算法能否有效執(zhí)行的關鍵。層次結(jié)構的構造并不能很好的利用多個核的并行處理能力。其中存在的主要問題是，層次結(jié)構自上而下的遞歸構造方式通常會產(chǎn)生一個二叉樹結(jié)構，在構造階段初期只能生成少量結(jié)點，很難充分的利用硬件的并行計算能力，從而造成硬件的低效使用，而且訪存的延遲也給構造造成了困難。