[發(fā)明專利]一種基于錯切變形的并行體繪制系統(tǒng)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010535263.4
• 申請日: 2010-11-03
• 公開（公告）號: CN102034263A
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 何兵;吉志峰;趙沁平;郝愛民;王莉莉
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06T15/08
• 分類號: G06T15/08;H04L29/08
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 李新華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于錯切變形的并行體繪制系統(tǒng)系統(tǒng)，屬于信息可視化技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

直接體繪制(簡稱體繪制)是一種重要的數(shù)據(jù)場可視化方法。與基于多變形的面繪制不同，它直接將體數(shù)據(jù)按照一定的映射規(guī)則合成圖像，具有豐富的表現(xiàn)力。因此，在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、計算流體力學(xué)、有限元分析、航空航天、核爆模擬、地質(zhì)勘探、氣象等各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。但同時，體繪制也具有數(shù)據(jù)量龐大，計算負荷強的特點。

目前主要的體繪制算法有光線投射算法(Ray-Casting)，Splatting算法，和錯切變形(Shear-Warp)算法等。其中Shear-Warp算法一直以來都被認為是速度最快的純軟件體繪制算法。由于體繪制具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型復(fù)雜、計算強度大的特點，計算速度慢成為體繪制算法的一個主要問題。僅僅依靠計算機本身存儲能力和計算能力的提高，尚不足以解決這一問題。因此出現(xiàn)了各種針對體繪制的并行/分布式加速方法。體繪制算法主要分為以圖像空間為序(如RayCasting)和以對象空間為序(如Splatting)兩種，相應(yīng)的，其并行繪制算法也分為圖像并行算法和對象并行算法等。

上述并行體繪制系統(tǒng)主要存在以下一些問題：

1)盡管錯切變形(Shear-Warp)算法是最快的直接體繪制算法，但基于錯切變形的并行繪制系統(tǒng)相對較少，需要針對錯切變形算法的特點采取多項優(yōu)化措施，以進一步提高并行體繪制系統(tǒng)的性能。

2)就多節(jié)點組成的并行體繪制系統(tǒng)而言，需要提供一套行之有效的，自適應(yīng)的幀率控制及同步技術(shù)，否則各節(jié)點均采用盡力繪制和傳送的策略，將導(dǎo)致大量重復(fù)的體會制計算及相同局部圖像的網(wǎng)絡(luò)傳輸，無謂降低并行體繪制系統(tǒng)的性能。

針對以上問題，本發(fā)明提出了一種基于錯切變形的并行體繪制系統(tǒng)，其核心思想為：整個并行體繪制系統(tǒng)由PC機群經(jīng)局域網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)構(gòu)成，其中有一個主節(jié)點和多個從節(jié)點；基于錯切變形的體繪制思想，主節(jié)點負責(zé)根據(jù)負載均衡的原理，對各從節(jié)點進行任務(wù)調(diào)度，幀率控制以及將各從節(jié)點的局部可視化結(jié)果合成最終繪制結(jié)果輸出；從節(jié)點負責(zé)根據(jù)主節(jié)點劃分的掃描線任務(wù)完成的局部掃描線的錯切變形可視化計算，形成局部圖像并發(fā)送給主節(jié)點。

就整個并行體繪制系統(tǒng)而言，從節(jié)點可以動態(tài)加入和退出，因而本發(fā)明的并行體繪制系統(tǒng)具有良好的可擴展性和靈活性。此外，針對任務(wù)劃分方法和自適應(yīng)幀率控制等環(huán)節(jié)，本發(fā)明分別提出了優(yōu)化策略和措施，進一步提高了繪制速度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，基于錯切變形(Shear-Warp)算法，提供一個適應(yīng)大規(guī)模數(shù)據(jù)場可視化的，具有較高繪制速度的并行體繪制系統(tǒng)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案：基于錯切變形的并行體繪制系統(tǒng)，其特點在于采用如圖2所示的PC機群系統(tǒng)，主節(jié)點和從節(jié)點通過局域網(wǎng)相連，主節(jié)點作為控制節(jié)點，負責(zé)從節(jié)點的動態(tài)加載與退出管理、任務(wù)分配與調(diào)度、幀同步控制及合成從節(jié)點局部圖像；從節(jié)點作為計算節(jié)點，負責(zé)在主節(jié)點的協(xié)調(diào)控制下，完成局部的可視化計算，形成局部掃描圖像并向主機匯總，從而構(gòu)成一個并行的體繪制系統(tǒng)。本系統(tǒng)具體通過以下步驟實現(xiàn)并行體繪制，如圖1所示：

(1)并行體繪制系統(tǒng)初始化，啟動主節(jié)點作為服務(wù)器端，以監(jiān)聽從機作為客戶端的連接請求，啟動從節(jié)點作為客戶端。

(2)主節(jié)點處理從節(jié)點的動態(tài)加入及退出請求。

(3)接受用戶交互，主節(jié)點接收用戶交互操作，取得視點，模型位置，視線方向等信息，計算繪制參數(shù)。

(4)基于掃描線及負載均衡原則的任務(wù)劃分，主節(jié)點根據(jù)第(3)步獲得的繪制參數(shù)及各從節(jié)點上一幀的繪制時間(如某從節(jié)點尚無上一幀繪制時間，則將該從節(jié)點的上一幀繪制時間初始化為1/24秒)，主節(jié)點根據(jù)數(shù)據(jù)場可視化所需進行的掃描線數(shù)量，及各從節(jié)點上一幀的繪制時間，重新為各從節(jié)點分配繪制任務(wù)(即各從節(jié)點下一幀所需計算的掃描線數(shù)量和序號)，并分發(fā)給各個已連接的從節(jié)點；

(5)AIAMD時間預(yù)測參數(shù)自適應(yīng)動態(tài)更新，主節(jié)點更新與各從節(jié)點相關(guān)的AIAMD時間預(yù)測模型參數(shù)。

(6)幀同步控制，主節(jié)點計算各從節(jié)點下一幀繪制的開始時刻，并分發(fā)給各從節(jié)點，各從節(jié)點據(jù)此控制本節(jié)點的繪制幀頻。

(7)從節(jié)點并行可視化繪制與數(shù)據(jù)傳輸，各從節(jié)點根據(jù)掃描線任務(wù)劃分并依據(jù)錯切變形算法進行局部掃描線的可視化計算，形成局部圖像，并將圖像數(shù)據(jù)傳給主節(jié)點。

(8)最終圖像生成，主節(jié)點按掃描線序合并各從節(jié)點局部圖像數(shù)據(jù)，合成最終圖像輸出。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：