CN103699364B - 一种基于并行绘制技术的三维图形渲染方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算机应用技术和计算机图形图像领域，具体涉及一种基于并行绘制技术的三维图形渲染方法，包括：构建并行绘制渲染系统工作环境，用户服务节点执行负载平衡计算，根据负载平衡结果，渲染节点确定图元归属，渲染节点执行渲染任务，提取像素数据并发送到图像服务节点，图像服务节点接收像素数据，执行图像拼合，输出到投影设备并显示。本发明优秀的资源调度策略和作业调度策略，能最大限度地提高资源利用率，节省渲染时间；丰富的开发工具和接口，便于高级用户进行有针对的开发；优秀的资源管理功能，能实施有效地管理，安全性、稳定性、可靠性较好。

Description

一种基于并行绘制技术的三维图形渲染方法

技术领域

本发明涉及计算机应用技术和计算机图形图像领域，具体涉及一种基于并行绘制技术的三维图形渲染方法。

背景技术

三维图形渲染方式是图文系统的发动机，它载入三维图文制作的场景数据，实时高效地渲染将场景数据渲染成图像输出。随着图形图像硬件和软件的发展，人们对应用的交互性和现实感提出了越来越高的要求：在满足实时性(每秒30帧)和低延迟的同时，需要构造更加逼真、精细的三维复杂场景，其数据规模日益膨胀，还需满足多通道输出等特殊的应用要求。

常用的渲染方式是直接使用底层图形接口如OpenGL、DirectX开发图形应用的模式越来越暴露出开发复杂性大、周期性长、维护困难的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于并行绘制技术的三维图形渲染方法，解决现有的三维图形渲染方式开发复杂性大、周期性长、维护困难的问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于并行绘制技术的三维图形渲染方法，包括：

步骤一，构建并行绘制渲染系统工作环境，所述并行绘制渲染系统主要由用户服务节点、渲染节点和图像服务节点组成，其中所述用户服务节点负责渲染节点之间的协调，接收用户输入，传送指令，所述渲染节点拥有全部场景数据，并根据视点的改变和负载平衡计算结果自适应地判断面片归属，根据统一位姿指令执行渲染任务，提取图像像素信息并发送给图像服务节点，所述图像服务节点接收渲染节点输入像素信息，合成各像素信息，输出图像信息到投影设备；

步骤二，用户服务节点执行负载平衡计算，根据负载平衡结果，渲染节点确定图元归属；

步骤三，渲染节点执行渲染任务，提取像素数据并发送到图像服务节点；

步骤四，图像服务节点接收像素数据，执行图像拼合，输出到投影设备并显示。

进一步的技术方案是，所述步骤二中，负载平衡计算的方法如下：

用户服务节点发送统一位置信息和屏幕划分方案到渲染节点，启动第k帧渲染；

渲染节点完成渲染，输出像素数据到图像服务节点；

渲染节点记录自身渲染时间，发送给用户服务节点；

用户服务节点汇总渲染时间，判断负载平衡系数是否超过限定值，如果没有超过限定值，即为负载平衡，采用屏幕划分方案；如果超过限定值即为负载不平衡，根据各节点渲染时间计算屏幕区域负载权值表，并确定屏幕划分方案；

图像服务节点汇总像素数据，拼接输出。

进一步的技术方案是，所述屏幕划分方案为：用户服务节点收集所有渲染节点的绘制时间的开销数据，用其更新保存屏幕划分空间的二叉树叶节点的负载预估值，当负载状况满足屏幕划分更新阀值时，计算屏幕空间中每一个像素的负载预估值，在对屏幕空间中每一个像素点进行离散化负载预估，使用所有渲染节点按照负载预估值比例分配当前绘制任务。

进一步的技术方案是，所述步骤三中，渲染节点采用HLA分布式数据传输规范将像素数据发送到图像服务节点，实现数据同步传输，解决数据同步问题，保证画面同步显示。

进一步的技术方案是，建立统一对象模型。分别包括联邦对象模型和联邦成员对象模型，这两种对象模型的主要目的都是促进仿真系统间的互操作和仿真部件的重用；

进一步的技术方案是，所述HLA分布式数据传输是方法是：

建立统一对象模型，在搭建仿真系统前，用面向对象的思想将系统中所有逻辑主体抽象成对象，将数据抽象成对象的属性并添加到联邦对象模型模板中；

声明管理实施，数据发送方调用HLA发布数据接口，数据接收方调用HLA订购数据接口；

对象管理实施，在仿真系统中为每一个传输数据块附带对象实例句柄或者交互类句柄，对象实例句柄绑定发送频繁海量的数据，交互类句柄绑定偶尔发送的数据；

时间管理实施，仿真系统首先调用HLA时间管理服务函数，确定是否使用时间同步机制，其次，在发送数据和接收数据时，均使用带时间戳的函数接口去处理数据，当同一时刻的数据处理结束时，系统再进行下一步仿真和数据交互；

数据分发管理实施，分发管理设定一定的单位范围作为数据收发的域，为每一个数据块附加一个路径空间，当发送方和接收方数据路径空间重叠时，进行数据的发送和接收。

进一步的技术方案是，所述步骤四中，所述图像拼合是将采用几何校正技术对投影机的输出画面进行变形,抵消几何错位，将经过几何校正后的不同通道图像进行拼接，最终在显示屏输出完整、正常的大视场角场景图像。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明并行绘制可以利用有限的绘制条件交付高端图形工作站所能提供的绘制能力，为多通道视景显示平台在任意视场角组合、海量地景数据、逼真显示效果等条件下的渲染任务负载平衡提供实现途径，从而为多通道视景显示平台的同步、高效运行提供技术支持，解决了多通道视景同步流畅运行问题；本发明优秀的资源调度策略和作业调度策略，能最大限度地提高资源利用率，节省渲染时间；丰富的开发工具和接口，便于高级用户进行有针对的开发；优秀的资源管理功能，能实施有效地管理，安全性、稳定性、可靠性较好。

附图说明

图1为本发明一种基于并行绘制技术的三维图形渲染方法的流程图。

图2为本发明一种基于并行绘制技术的三维图形渲染方法的系统结构示意图。

图3为本发明一种基于并行绘制技术的三维图形渲染方法的负载平衡计算流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明一种基于并行绘制技术的三维图形渲染方法：一种基于并行绘制技术的三维图形渲染方法，包括以下步骤：

步骤一，构建并行绘制渲染系统工作环境(如图2所示)，所述并行绘制渲染系统主要由用户服务节点、渲染节点和图像服务节点组成，其中所述用户服务节点负责渲染节点之间的协调，接收用户输入，传送指令，所述渲染节点拥有全部场景数据，并根据视点的改变和负载平衡计算结果自适应地判断面片归属，根据统一位姿指令执行渲染任务，提取图像像素信息并发送给图像服务节点，所述图像服务节点接收渲染节点输入像素信息，合成各像素信息，输出图像信息到投影设备；

步骤二，用户服务节点执行负载平衡计算，根据负载平衡结果，渲染节点确定图元归属；

步骤三，渲染节点执行渲染任务，提取像素数据并发送到图像服务节点；

步骤四，图像服务节点接收像素数据，执行图像拼合，输出到投影设备并显示。

图3示出了本发明一种基于并行绘制技术的三维图形渲染方法的一个优选实施例，所述步骤二中，负载平衡计算的方法如下：

用户服务节点发送统一位置信息和屏幕划分方案到渲染节点，启动第k帧渲染；

渲染节点完成渲染，输出像素数据到图像服务节点；

渲染节点记录自身渲染时间，发送给用户服务节点；

用户服务节点汇总渲染时间，判断负载平衡系数(最重载/最轻载)是否超过限定值(根据实验确定)，如果没有超过限定值，即为负载平衡，采用屏幕划分方案；如果超过限定值即为负载不平衡，根据各节点渲染时间计算屏幕区域负载权值表，并确定屏幕划分方案；

图像服务节点汇总像素数据，拼接输出。

上述实施例中，负载平衡算法不考虑几何数据，实时捕捉渲染节点渲染一帧的时间，结合前一帧的剖分方式，快速计算出新的剖分方式，控制下一帧的渲染，由于避免了庞大的几何数据计算，因此这种算法花费很小，测试结果证明其非常实用和有效。该算法增加了反馈回路控制，有利于快速达到平衡。

根据本发明一种基于并行绘制技术的三维图形渲染方法的另一个优选实施例，所述屏幕划分方案为：用户服务节点收集所有渲染节点的绘制时间的开销数据，用其更新保存屏幕划分空间的二叉树叶节点的负载预估值，当负载状况满足屏幕划分更新阀值时，计算屏幕空间中每一个像素的负载预估值，在对屏幕空间中每一个像素点进行离散化负载预估，使用所有渲染节点按照负载预估值比例分配当前绘制任务。

根据本发明一种基于并行绘制技术的三维图形渲染方法的另一个优选实施例，所述步骤三中，渲染节点采用HLA分布式数据传输规范将像素数据发送到图像服务节点，实现数据同步传输，解决数据同步问题，保证画面同步显示。

根据本发明一种基于并行绘制技术的三维图形渲染方法的另一个优选实施例，所述HLA分布式数据传输是方法是：

建立统一对象模型，在搭建仿真系统前，用面向对象的思想将系统中所有逻辑主体抽象成对象，将数据抽象成对象的属性并添加到联邦对象模型模板中；

声明管理实施，数据发送方调用HLA发布数据接口，数据接收方调用HLA订购数据接口，只有订购方存在时，发布方才发布数据，订购方退出时，发送方停止发送；

对象管理实施，在仿真系统中为每一个传输数据块附带对象实例句柄或者交互类句柄，对象实例句柄绑定发送频繁海量的数据，交互类句柄绑定偶尔发送的数据；

时间管理实施，仿真系统首先调用HLA时间管理服务函数，确定是否使用时间同步机制，其次，在发送数据和接收数据时，均使用带时间戳的函数接口去处理数据，当同一时刻的数据处理结束时，系统再进行下一步仿真和数据交互；

数据分发管理实施，分发管理设定一定的单位范围作为数据收发的域，为每一个数据块附加一个路径空间，当发送方和接收方数据路径空间重叠时，进行数据的发送和接收。

根据本发明一种基于并行绘制技术的三维图形渲染方法的另一个优选实施例，所述步骤四中，所述图像拼合是将采用几何校正技术对投影机的输出画面进行变形,抵消几何错位，将经过几何校正后的不同通道图像进行拼接，最终在显示屏输出完整、正常的大视场角场景图像，该技术利用不同通道渲染不同视角的虚拟图像,以拼接得到任意视角的投影图像。

所述并行绘制渲染系统的各个节点均配有高端普通图形显示卡，采用千兆以太网交换机进行互联，期望以较低的成本达到大型专有系统的性能，并且具有更强的灵活性和可扩展性，其基本工作模式为“归属判断->渲染->同步显示”，这种设计能充分利用帧间相似性，减少网络开销。

并行性分析：

这里取1000帧数据的统计平均值进行分析。读帧缓存时间即渲染时间，发送的数据都是像素数据。采用时间测量函数精确度达到了微秒级。功能并行后效率提高了35％左右，提升较明显。

表一功能并行前效率(单位us)

表二功能并行后效率(单位us)

Claims (4)

1.一种基于并行绘制技术的三维图形渲染方法，其特征在于包括：

步骤一，构建并行绘制渲染系统工作环境，所述并行绘制渲染系统主要由用户服务节点、渲染节点和图像服务节点组成，其中所述用户服务节点负责渲染节点之间的协调，接收用户输入，传送指令，所述渲染节点拥有全部场景数据，并根据视点的改变和负载平衡计算结果自适应地判断面片归属，根据统一位姿指令执行渲染任务，提取图像像素信息并发送给图像服务节点，所述图像服务节点接收渲染节点输入像素信息，合成各像素信息，输出图像信息到投影设备；

步骤二，用户服务节点执行负载平衡计算，根据负载平衡结果，渲染节点确定图元归属；

步骤三，渲染节点执行渲染任务，提取像素数据并发送到图像服务节点；

步骤四，图像服务节点接收像素数据，执行图像拼合，输出到投影设备并显示；

所述步骤二中，负载平衡计算的方法如下：

用户服务节点发送统一位置信息和屏幕划分方案到渲染节点，启动第k帧渲染；

渲染节点完成渲染，输出像素数据到图像服务节点；

渲染节点记录自身渲染时间，发送给用户服务节点；

用户服务节点汇总渲染时间，判断负载平衡系数是否超过限定值，如果没有超过限定值，即为负载平衡，采用屏幕划分方案；如果超过限定值即为负载不平衡，根据各节点渲染时间计算屏幕区域负载权值表，并确定屏幕划分方案；

图像服务节点汇总像素数据，拼接输出；

所述屏幕划分方案为：用户服务节点收集所有渲染节点的绘制时间的开销数据，用其更新保存屏幕划分空间的二叉树叶节点的负载预估值，当负载状况满足屏幕划分更新阀值时，计算屏幕空间中每一个像素的负载预估值，在对屏幕空间中每一个像素点进行离散化负载预估，使用所有渲染节点按照负载预估值比例分配当前绘制任务。

2.根据权利要求1所述的一种基于并行绘制技术的三维图形渲染方法，其特征在于：所述步骤三中，渲染节点与图像服务节点间采用HLA分布式数据传输规范进行数据同步传输，解决数据同步问题，实现画面同步显示。

3.根据权利要求2所述的一种基于并行绘制技术的三维图形渲染方法，其特征在于：所述HLA分布式数据传输是方法是：

建立统一对象模型，在搭建仿真系统前，用面向对象的思想将系统中所有逻辑主体抽象成对象，将数据抽象成对象的属性并添加到联邦对象模型模板中；

声明管理实施，数据发送方调用HLA发布数据接口，数据接收方调用HLA订购数据接口；

对象管理实施，在仿真系统中为每一个传输数据块附带对象实例句柄或者交互类句柄，对象实例句柄绑定发送频繁海量的数据，交互类句柄绑定偶尔发送的数据；

时间管理实施，仿真系统首先调用HLA时间管理服务函数，确定是否使用时间同步机制，其次，在发送数据和接收数据时，均使用带时间戳的函数接口去处理数据，当同一时刻的数据处理结束时，系统再进行下一步仿真和数据交互；

数据分发管理实施，分发管理设定一定的单位范围作为数据收发的域，为每一个数据块附加一个路径空间，当发送方和接收方数据路径空间重叠时，进行数据的发送和接收。

4.根据权利要求1所述的一种基于并行绘制技术的三维图形渲染方法，其特征在于：所述步骤四中，所述图像拼合是将采用几何校正技术对投影机的输出画面进行变形，抵消几何错位，将经过几何校正后的不同通道图像进行拼接，最终在显示屏输出完整、正常的大视场角场景图像。