CN103049926A - 分布式三维渲染系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分布式三维渲染系统，包括主控制台、至少两个渲染节点，所述渲染节点包括图形显示卡、同步显示卡；主控制台将三维模型数据发给各渲染节点，各渲染节点接收到自己的三维模型数据后将所述三维模型数据传输给所述图形显示卡并启动三维渲染运算，然后等待图形显示卡的运算处理完毕信号；当接收到处理完毕信号后启动同步显示卡从图形显示卡中读取渲染好的三维图像数据并进行存储，同时将处理完毕信号发送给主控制台；主控制台在接收到所有渲染节点的处理完毕信号后发送同步显示命令给各渲染节点；各渲染节点收到同步显示命令后通知同步显示卡将渲染好的三维图像数据进行输出显示。本发明的系统实现了各个渲染节点之间的完全同步。

Description

分布式三维渲染系统

技术领域

本发明涉及分布式处理系统，特别是涉及一种分布式三维渲染系统。

背景技术

随着科技的飞速发展，传统的单机三维渲染系统输出图像的效果、分辨率及帧率已经无法满足用户对场景的细腻程度及大视野的需求。为了获得更大的显示尺寸、更宽的视野、更高的显示分辨率、更具冲击力的视觉效果，三维渲染的运算量成倍增长，单台处理器无法满足应用需求。为了适应这繁重的三维渲染运算，目前业界有提出了这么一种分布式的三维渲染系统，该系统由很多单个的渲染节点组成，在执行渲染任务时自动将任务分解到相应渲染节点，自动负载平衡每个渲染节点的使用效率。上述的将单帧图像的渲染运算分布到多台计算机或多个GPU（graphics processing unit，图形显示卡），有许多方法可以实现这种技术，主要是把每帧画面分割成不同的区域，分配到不同的节点，由各个计算机或GPU各自单独完成计算，最后把各个渲染节点所渲染的图像合并成一张大的图像，从而实现超大分辨率三维场景的快速渲染。

分布式三维渲染系统可以用更快的速度完成大分辨率场景的渲染，然而与此同时也带来了多个渲染节点之间渲染及图像输出显示的不同步问题。众所周知，目前衡量三位场景的复杂度主要看这个场景有多少个三角形组成，场景越复杂包含的三角越多，三角形多的场景对应的三维渲染运算量就越大。在一个大分辨率的三维场景画面中，画面每一部分的场景复杂程度不尽相同，有的部分可能是由几十个三角形组成的场景，有的场景则需要几百个几千个三角形组成，这样按块分配给各个渲染节点的运算量就完全不一样。如果每个渲染节点的处理能力相同（即每秒处理的三角形个数相同），则由较多三角形组成的复杂三维场景运算需花费的时间就会越长，简单的三维场景运算花费的时间就越短。这个就会导致处理节点每秒钟处理的帧数时快时慢，各个处理节点之间处理的帧率有快有慢。如果不采取有效的同步机制就会出现各个节点之间的不同步现象，从而导致图像撕裂现象的出现。如图1所示，某一时刻渲染节点1渲染显示A画面的一部分，理论上渲染节点2此时也应该渲染显示A画面的一部分，由于没有有效的同步机制，这时渲染节点2渲染显示的是B画面的一部分，这样在拼接显示的时候我们看见的就是一个撕裂的画面。

传统的分布式三维渲染系统主要采用软件的同步机制来实现各个渲染节点之间渲染运算的同步。如图2以及图3所示，上述实现各个渲染节点之间同步的过程主要包括以下几个步骤：

1）、所有三维模型数据全部由主控制台通过内部通讯网络实时的发给每个节点；

2)、每个渲染节点通过通讯接口接收自己的三维模型数据；

3）、渲染节点接收完一帧数据后再通过内部数据总线把三维模型数据传输给GPU开始启动三维渲染运算；

4)、等待GPU运算处理完毕信号，同时把处理完毕信号发送给主控制台，告诉主控制台本节点已经准备就绪；

5）、主控制台在收到所有节点报告的准备就绪信号后发送同步显示命令给各个渲染节点；

6)、每个渲染节点收到同步显示命令后就把刚渲染好的图像数据输出显示，这样就完成了一帧三维场景的渲染显示。循环执行上述第一至第六步可以实现整个渲染过程。

上面软件同步的方法主要思想是通过主控制台发布同步命令让处理快的渲染节点等待处理慢的渲染节点，从而实现各个渲染节点之间渲染运算的同步问题。由于GPU带有图像输出显示的功能，一般做法就是直接由GPU输出显示图像。然而，GPU内部数据交换显示部分只有芯片厂家能控制，没有可供同步输出的控制接口。当我们把三维模型数据提交给GPU运算完成后，GPU就直接输出显示，不会等待同步显示命令。也就是说，采用单独的软件同步机制不能完全起到同步的作用。

发明内容

基于此，有必要针对上述单独的软件同步机制不能完全实现各个渲染节点之间的同步问题，提供一种分布式三维渲染系统。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种分布式3D拼接显示处理系统，包括：主控制台、至少两个渲染节点，所述渲染节点包括：图形显示卡、同步显示卡；

所述主控制台将三维模型数据发给各渲染节点，各渲染节点接收到自己的三维模型数据后将所述三维模型数据传输给所述图形显示卡并启动三维渲染运算，然后等待所述图形显示卡的运算处理完毕信号；当接收到所述处理完毕信号后启动所述同步显示卡从所述图形显示卡中读取渲染好的三维图像数据并进行存储，同时将所述处理完毕信号发送给所述主控制台；所述主控制台在接收到所有渲染节点的处理完毕信号后发送同步显示命令给各渲染节点；各渲染节点收到所述同步显示命令后通知所述同步显示卡将渲染好的三维图像数据进行输出显示。

由以上方案可以看出，本发明的分布式三维渲染系统，采用同步显示卡来实现可控的图像输出显示功能，实现了卡与卡之间的同步控制，让整个渲染系统可以共用同一个视频输出同步信号，保证了整个系统视频输出的完全同步；并且由于本发明中实现了同步显示卡与图形显示卡之间的直接数据传输，从而降低了数据传输对系统总线带宽与CPU处理时间的浪费，提高了整个系统的运行效率。本发明在传统的软件机制的基础上重点增加了硬件机制来实现各个渲染节点之间的完全同步，保证了系统快速、正确的显示，在超大分辨率三维图像的生成、演示及仿真方面有较高的实用价值（如三维GIS、三维虚拟景观、虚拟仿真等）。

附图说明

图1为采用传统的分布式三维渲染系统进行渲染时出现画面撕裂的示意图；

图2为传统的分布式三维渲染系统中主控制台处理流程示意图；

图3为传统的分布式三维渲染系统中渲染节点处理流程示意图；

图4为本发明实施例中一种分布式三维渲染系统的结构示意图；

图5为本发明实施例中渲染节点的结构以及数据传输路径示意图；

图6为传统的渲染节点中数据传输路径示意图；

图7为本发明实施例中同步显示卡的结构示意图；

图8为本发明实施例中分布式三维渲染系统渲染节点处理流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体的实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述。

参见图4所示，一种分布式三维渲染系统，包括：主控制台、至少两个渲染节点。其中，主控制台是系统的主控器及系统对外的总交互接口，负责渲染模型、数据及同步控制的命令分发；各个渲染节点主要负责本节点范围内的三维模型数据同步运算、图像生成及图像同步输出显示等。

如图5所示，每个渲染节点中均可以包括：图形显示卡（GPU)、同步显示卡等，同步显示卡与图形显示卡之间可以直接进行数据传输，不需要经过内存，这样可以节省大量的CPU处理时间及整个系统带宽。其中，GPU负责三维数据的运算及图像数据的生成，是完成三维渲染的核心模块；同步显示卡是完成图像数据输出显示的模块，负责各个节点之间输出图像的同步控制，是同步输出的关键模块。

本发明实施例中分布式三维渲染系统的工作流程如下：所述主控制台将三维模型数据发给各渲染节点，各渲染节点接收到自己的三维模型数据后，将所述三维模型数据传输给所述图形显示卡并启动三维渲染运算，然后等待所述图形显示卡的运算处理完毕信号（图形显示卡的三维渲染运算完成之后会发送运算处理完毕信号）；当接收到所述处理完毕信号后，启动所述同步显示卡从所述图形显示卡中读取渲染好的三维图像数据并进行存储，同时将所述处理完毕信号发送给所述主控制台；所述主控制台在接收到所有渲染节点的处理完毕信号后，发送同步显示命令给各渲染节点；各渲染节点收到所述同步显示命令后通知所述同步显示卡将渲染好的三维图像数据进行输出显示。

作为一个较好的实施例，如图5所示，所述渲染节点还可以包括：CPU（Central Processing Unit，中央处理单元)、内存、网络接口卡等组成部分，所述内存、网络接口卡、图形显示卡、同步显示卡分别与所述CPU相连接。其中，CPU是整个渲染节点的主控器，负责初始化各个功能模块、控制协调各个功能模块之间的数据交换等；内存是系统数据的临时存放点；网络接口卡主要完成节点机与外部的数据交换的功能。

作为一个较好的实施例，所述网络接口卡、图形显示卡、同步显示卡均可以通过PCI-E总线与所述CPU相连接。

另外，作为一个较好的实施例，如图7所示，所述同步显示卡可以包括：板载内存、同步接口、视频输出接口、主处理单元；所述板载内存、同步接口、视频输出接口分别与所述主处理单元相连接。其中，板载内存主要用于图像数据的缓存；同步接口是外部同步信号的输入输出接口；视频输出接口是视频图像输出的标准接口；主处理单元负责高速的数据传输、数据缓冲、同步显示处理及视频数据输出转换等功能，该主处理单元可以用一片可编程逻辑芯片来实现。

作为一个较好的实施例，如图7所示，所述主处理单元中可以进一步的包括：DMA（DMA(Direct Memory Access，直接内存存取）控制器、内存控制器、高速数据接口、同步处理单元、图像视频数据转换单元；所述DMA控制器与所述高速数据接口、内存控制器分别相连接，所述内存控制器还与所述板载内存、图像视频数据转换单元分别相连接，所述图像视频数据转换单元还与所述视频输出接口、同步处理单元分别相连接，所述同步处理单元还与所述同步接口相连接。其中，内存控制器主要负责板载内存芯片的初始化、刷新、读写等控制，是图像数据缓冲的接口；高速数据接口主要实现高速的数据传数据协议（如PCI-Express接口协议），是同步显示卡与CPU、图形显示卡之间的高速数据交换的通道；DMA控制器主要负责控制同步显示卡与CPU、图形显示卡之间的数据传输；同步处理单元主要负责产生视频同步信号并与其它同步显示卡之间传输同步信号；图像视频数据转换单元主要根据同步处理单元产生的视频同步信号输出显示视频图像。

在本发明实施例中，同步显示卡可以实现可控的图像输出显示功能，通过同步接口可以实现卡与卡之间的同步控制，让整个渲染系统共用同一个视频输出同步信号；通过高速数据接口可以实现与GPU之间快速的传输图像数据；并且其内置的DMA控制器在配置完成后可以快速的与GPU传输数据，基本上不占用CPU的处理时间。由图5（本发明实施例渲染节点中的数据传输路径示意图）与图6（传统的渲染节点中的数据传输路径示意图）的对比可知，由于本发明实施例中处理完的图像数据只在GPU和同步显示卡之间传输，不需要经过内存，因此节省大量了CPU处理时间及整个系统带宽，整个系统运行效率非常高。

参见图8所示，本发明实施例中在软件同步的基础上加入硬件机制（同步显示卡）后所实现的完整的输出显示同步的步骤如下：

1）、所有三维模型数据全部由主控制台通过内部通讯网络实时的发给每个节点；

2)、每个渲染节点通过通讯接口接收自己的三维模型数据；

3）、渲染节点接收完一帧数据后再通过内部数据总线把三维模型数据传输给图形显示卡（GPU）开始启动三维渲染运算；

4)、等待GPU运算处理完毕信号，当收到处理完毕信号后立即启动同步显示卡的DMA控制器从GPU的内存单元中读取刚处理完的一帧三维图像数据存放在所述板载内存里面；同时把处理完毕信号发送给主控制台，告诉主控制台本渲染节点已经准备就绪；

5)、主控制台在收到所有渲染节点报告的准备就绪信号（即处理完毕信号）后发送同步显示命令给各个渲染节点；

6）、每个渲染节点收到同步显示命令后就通知同步显示卡把刚渲染好的三维图像数据输出显示，直到等到下一个同步显示命令后才切换到下一帧数据的输出显示。循环完成上述第一至第六步即可以实现整个渲染过程。

通过以上方案可以看出，本发明的分布式三维渲染系统，采用同步显示卡来实现可控的图像输出显示功能，实现了卡与卡之间的同步控制，让整个渲染系统可以共用同一个视频输出同步信号，保证了整个系统视频输出的完全同步；并且由于本发明中实现了同步显示卡与图形显示卡之间的直接数据传输，从而降低了数据传输对系统总线带宽与CPU处理时间的浪费，提高了整个系统的运行效率。本发明在传统的软件机制的基础上重点增加了硬件机制来实现各个渲染节点之间的完全同步，保证了系统快速、正确的显示，在超大分辨率三维图像的生成、演示及仿真方面有较高的实用价值（如三维GIS（GeographicInformation System，地理信息系统)、三维虚拟景观、虚拟仿真等）。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种分布式三维渲染系统，其特征在于，包括：主控制台、至少两个渲染节点，所述渲染节点包括：图形显示卡、同步显示卡；

所述主控制台将三维模型数据发给各渲染节点，各渲染节点接收到自己的三维模型数据后将所述三维模型数据传输给所述图形显示卡并启动三维渲染运算，然后等待所述图形显示卡的运算处理完毕信号；当接收到所述处理完毕信号后启动所述同步显示卡从所述图形显示卡中读取渲染好的三维图像数据并进行存储，同时将所述处理完毕信号发送给所述主控制台；所述主控制台在接收到所有渲染节点的处理完毕信号后发送同步显示命令给各渲染节点；各渲染节点收到所述同步显示命令后通知所述同步显示卡将渲染好的三维图像数据进行输出显示。

2.根据权利要求1所述的分布式三维渲染系统，其特征在于，所述渲染节点还包括：CPU、内存、网络接口卡；所述内存、网络接口卡、图形显示卡、同步显示卡分别与所述CPU相连接。

3.根据权利要求2所述的分布式三维渲染系统，其特征在于，所述网络接口卡、图形显示卡、同步显示卡均通过PCI-E总线与所述CPU相连接。

4.根据权利要求1所述的分布式三维渲染系统，其特征在于，所述同步显示卡包括：板载内存、同步接口、视频输出接口、主处理单元；所述板载内存、同步接口、视频输出接口分别与所述主处理单元相连接。

5.根据权利要求4所述的分布式三维渲染系统，其特征在于，所述主处理单元包括：DMA控制器、内存控制器、高速数据接口、同步处理单元、图像视频数据转换单元；所述DMA控制器与所述高速数据接口、内存控制器分别相连接，所述内存控制器还与所述板载内存、图像视频数据转换单元分别相连接，所述图像视频数据转换单元还与所述视频输出接口、同步处理单元分别相连接，所述同步处理单元还与所述同步接口相连接。

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