CN103995684A - 超高分辨率平台下的海量影像并行处理显示方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明为了解决现有技术对海量影像数据加载时间长、所占用内存多、显示分辨率低的技术问题，提供超高分辨率平台下的海量影像并行处理显示方法及系统，提高了数据加载速度，可支持海量影像的亿像素超高分辨率显示。本发明方法包括海量影像多分辨率抽样和分块处理、虚拟纹理动态加载以及CPU+GPU渲染显示等技术手段，多分辨率抽样和分块处理对海量影像数据减少图像显示的运算量；并利用虚拟纹理动态加载技术对当前显示区域的图像数据进行动态加载，CPU+GPU渲染显示中CPU负责对当前显示的数据块进行判定并利用虚拟纹理及时进行动态加载，而GPU利用虚拟纹理提供的图像数据和辅助纹理表对图像进行正确渲染显示。
Description
技术领域
本发明涉及海量影像数据的显示技术，具体为超高分辨率平台下的海量影像并行处理显示方法及系统。
背景技术
图像是提高三维显示质量、增强显示细节、提高虚拟现实真实度的有效手段。随着计算机图像技术的不断发展，尤其是在地理信息、卫星地图、医学图像、环境检测等领域，图像的信息量不断增加，这也使得图像的数据量越来越大，单张图片的数据量已达到十几GB甚至几百GB。对于如此庞大的海量影像数据，要进行快速的图像显示、图像浏览、图像处理和图像测量等都十分困难，单机处理能力已无法胜任这些海量信息的显示处理需求了。一般的单机图形硬件输出仅支持4096×4096或8192×8192的纹理大小，限制了海量影像的输出显示分辨率，无法实现超高分辨率海量影像的显示。
现有海量数据影像显示技术主要包括以下两类：
第一类，利用图形图像处理库直接加载整个图像数据进行显示。海量影像处理的主要难题是数据信息量大，难以一次载入显存进行操作。海量影像显示也就意味着更多的数据读写和传输，在显示和存储之间就会有更多数据传递。虽然显卡的存储能力和传输带宽每年都在增加，然而仍不能满足越来越大的图像数据显示要求。
第二类，采用Clip map方法，载入图像的部分数据到内存中，只载入当前显示中心周围的数据块。但是该技术需要大量的纹理存储硬件，并且对硬件有特殊的要求，对系统要求比较苛刻，支持他的高层应用也比较少，实现成本高而且可移植性比较低。
以上述两类技术为代表的现有海量数据影像显示技术存在以下缺点：
(1)数据加载时间长，处理速度慢，刷新速度慢。因为海量影像图片含有的数据信息量比较大，采用普通加载方法读取整个图像的数据将导致图像数据的加载时间过长。
(2)占用的内存多。普通加载需要加载整个海量影像数据，所以占用的内存会随着影像的大小而增加；当海量影像图像数据量过大时，处理和显示速度慢，影响系统性能，甚至导致系统死机和崩溃；从而导致能处理的海量影像文件的大小受限。
(3)渲染效率低，显示分辨率低，可移植性差。
发明内容
为了解决现有技术对海量影像数据加载时间长、所占用内存多、显示分辨率低的技术问题，本发明提供超高分辨率平台下的海量影像并行处理显示方法及系统，提高了数据加载速度，显示效果稳定而不易受到海量影像数据量大小的影响，可支持海量影像的亿像素超高分辨率显示。
本发明超高分辨率平台下的海量影像并行处理显示方法采用如下技术方案：超高分辨率平台下的海量影像并行处理显示方法，包括以下步骤：
第一步，对海量影像进行多分辨率抽样，即对原始图像进行逐层抽样生成具有不同分辨率的多细节层次图层；在所述多细节层次图层中最高分辨率图层对应原始图像，最低分辨率图层的像素与显示屏幕中图像显示窗口的像素比例最接近1:1；
第二步，对第一步中所述多细节层次图层进行分块处理，即对所述多细节层次图层中每个分辨率图层的数据按固定大小的网格进行划分，分割成固定大小的数据块；
第三步，通过物理纹理页表和虚拟纹理页表对当前需要显示的图层实现虚拟纹理动态加载，所述当前需要显示的图层根据当前显示屏幕中图像显示窗口像素从所述多细节层次图层中选择出来；
第四步，更新物理纹理页表和虚拟纹理页表，然后对虚拟纹理页表寻址找出当前数据块在物理纹理页表中的坐标，使用着色器对图像进行显示渲染输出；
所述当前需要显示图层的数据块加载后存放在物理纹理页表中，所述虚拟纹理页表记录当前需要显示图层的数据块与物理纹理页表中存放的数据块之间的位置对应关系。
优选的，所述第三步包括以下步骤：
A1，根据当前显示屏幕中图像显示窗口的大小，从多细节层次图层中选择出与当前显示屏幕中图像显示窗口像素比例最接近1:1的图层作为当前需要显示的图层；当前显示屏幕中图像显示窗口与所述当前需要显示的图层的重叠区域即为当前需要显示的图层区域，所述当前需要显示的图层区域中包含的所有数据块判定为当前需要显示图层的数据块；
A2，将当前需要显示图层的数据块更新到物理纹理页表中；
A3，修改虚拟纹理页表中当前需要显示图层的数据块在物理纹理页表中的索引值，所述索引值指出所述当前需要显示图层的数据块在物理纹理页表中的存储位置。
在所述步骤A2中若物理纹理页表中没有所述当前需要显示图层的数据块，则读取所述当前需要显示图层的数据块，并替换掉物理纹理页表中最长时间没有使用的数据块。
优选的，所述第一步多分辨率抽样过程为：对最高分辨率图层进行抽样形成一个低一级分辨率的图层；然后对前述低一级分辨率的图层再次进行抽样，得到一个次低一级分辨率的图层；被抽样图层均为上一次抽样后所得到的较低次分辨率图层，如此逐层进行，直至被抽样图层的像素与显示屏幕中图像显示窗口的像素比例最接近1:1。
本发明超高分辨率平台下的海量影像并行处理显示系统采用如下技术方案：基于上述海量影像并行处理显示方法的海量影像并行处理显示系统，包括：
海量影像多分辨率抽样和分块处理模块，用于对海量影像进行多分辨率抽样，即对原始图像进行逐层抽样生成具有不同分辨率的多细节层次图层；并对所述多细节层次图层中每个分辨率图层的数据按固定大小的网格进行分块处理，分割成固定大小的数据块；
虚拟纹理动态加载模块，用于通过物理纹理页表和虚拟纹理页表对当前需要显示的图层实现虚拟纹理动态加载；以及
CPU+GPU渲染显示模块，包括相互连接的CPU和GPU，CPU用于根据当前的显示需求定位当前需要显示的图层区域，把所述当前需要显示的图层区域中所有的数据块标记为需加载的数据块，启动数据加载多线程将标记的需加载的数据块调入物理纹理页表，并把物理纹理页表和虚拟纹理页表更新到GPU中；GPU用于负责虚拟纹理页表寻址，找出当前需要显示图层的数据块在物理纹理页表中的坐标，并使用着色器对图像进行显示渲染输出；
所述海量影像多分辨率抽样和分块处理模块、虚拟纹理动态加载模块及CPU+GPU渲染显示模块依次连接。
优选的，所述海量影像并行处理显示系统还包括与CPU+GPU渲染显示模块连接的拼接显示模块；所述拼接显示模块包括主控制节点机、若干子节点机以及与子节点机相连接的多个显示屏，在主控制节点机、各子节点机上均设置了海量影像多分辨率抽样和分块处理模块、虚拟纹理动态加载模块、CPU+GPU渲染显示模块，其中主控制节点机调度各个子节点机的渲染和控制，实现多显示区域的划分和同步管理，子节点机在主控制节点机的控制下，负责多个显示屏的渲染显示。
本发明解决了因受限于普通PC硬件而不能满足海量影像大信息量处理所带来的一系列技术问题(如加载时间长、刷新速度慢、显示分辨率低)，其原理如下：利用集群技术构成超高分辨率的并行显示拼接系统，提供海量影像的超高分辨率显示平台；再利用多分辨率抽样分层和分块处理技术对海量影像数据减少图像显示的运算量；并根据集群系统中各个子节点显示区域的不同，利用虚拟纹理动态加载技术对当前显示区域的图像数据进行动态加载，CPU+GPU渲染显示中CPU负责对当前显示的数据块进行判定并利用虚拟纹理及时进行动态加载，而GPU利用虚拟纹理提供的图像数据和辅助纹理表对图像进行正确渲染显示。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、对海量影像进行多分辨率抽样和分块处理，并在加载时只读取当前需要的层和块，减少了数据加载时的寻址时间，提高了数据的加载速度，减少了数据冗余。
2、由于使用固定大小的物理纹理页表处理任意大小的海量影像图像，因而本发明显示效果不会受到海量影像数据量大小的影响，为海量影像的显示提供了稳定的性能。
3、由于采用多分辨率抽样和分块处理的技术手段，因此本发明能够基于有限的硬件设备实现海量图像文件的加载和显示，支持超高分辨率的海量影像显示。
4、利用CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、GPU(Graphic Processing Unit，图形处理器)联合计算实现海量影像的渲染和显示，提高了系统的性能和速度。
5、提供可扩展的集群超高分辨率显示，并且显示单元数量可以任意扩展，突破了单机显示分辨率的限制。
6、可移植性强，该技术对硬件和显示设备没有特殊的要求，可以在各种硬件设备和系统之间移植。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图；
图2是基于集群的并行拼接系统的结构示意图；
图3是虚拟纹理动态加载流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本发明技术方案中几个关键技术术语，分别定义如下：
LOD(Level of Details)：多细节层次图，根据物体模型的节点在显示环境中所处的位置和重要度，决定物体渲染的资源分配，降低非重要物体的面数和细节度，从而获得高效率的渲染运算。本发明中指的是图像数据的不同分辨率的数据抽样图层。
物理纹理页表(physical page texture)：一个用来保存实际需要显示的图像数据块的固定大小的纹理页表，当前需要显示图层的数据块加载后都存放在该页表中。
虚拟纹理页表(page table texture)：一个辅助的纹理页表，它记录了当前需要显示图像的数据块与物理纹理页表数据块之间的位置对应关系。
虚拟纹理加载：虚拟纹理加载主要通过物理纹理页表和虚拟纹理页表实现，类似于虚拟内存，根据当前显示的位置将需要显示的图像数据调入物理纹理页表存储，并利用虚拟纹理页表在GPU中完成渲染显示，而其它当前不需要显示的大部分图像数据放在存储设备中。这样可以使用有限的硬件设备动态的显示远远大于内存的图像数据，而不需要每次都把所有的数据都传递给GPU。
如图1所示，本发明超高分辨率平台下的海量影像并行处理显示系统，主要包括海量影像多分辨率抽样和分块处理模块、虚拟纹理动态加载模块、CPU+GPU渲染显示模块及超高分辨率拼接显示模块。其中超高分辨率拼接显示模块是由基于集群的并行拼接系统实现的，集群的并行拼接系统是指采用计算机并行集群技术构建的超高分辨率海量信息处理与显示平台，该平台充分利用了节点机的图形处理能力，建立了一个高度协同的分布式集群并行显示平台，实现高性能的显示功能。如图2所示，集群的并行拼接系统由主控制节点机(简称主节点)、若干子节点机(渲染节点，简称子节点)以及与子节点相连接的多个显示屏所组成，子节点通过以太网与文件服务器、主节点进行数据流、控制流的传输。在主节点机、各子节点机上均设置了多分辨率抽样和分块处理模块、虚拟纹理动态加载模块、CPU+GPU渲染显示模块，其中主节点调度各个子节点的渲染和控制，实现多显示区域的划分和同步管理；子节点在主节点的控制下，负责多个显示屏的渲染显示，实现多个显示屏的拼接高分辨率显示。子节点机只加载和显示当前自己所控制的显示区域中的数据块，即每个子节点负责对自己所控制的显示区域进行显示，不在当前子节点显示区域内的数据会被裁减掉(即使计算和加载当前子节点显示区域外的数据也会在渲染时被裁减掉)，并行显示后可提供一个超高分辨率的显示效果。
海量影像多分辨率抽样和分块处理模块首先完成海量影像多分辨率抽样。海量影像多分辨率抽样是对原始图像进行逐层抽样生成具有不同分辨率的LOD图层：在LOD图层中最高分辨率图层对应原始图像，对最高分辨率图层进行抽样形成一个低一级分辨率的图层；然后对前述低一级分辨率的图层再次进行抽样，得到一个次低一级分辨率的图层；被抽样图层均为上一次抽样后所得到的较低次分辨率图层，如此逐层进行，直至被抽样图层的像素与显示屏幕中图像显示窗口的像素比例最接近1:1，即最低分辨率图层的像素与显示屏幕中图像显示窗口的像素比例最接近1:1；抽样比例通常为4:1，即四个像素合成一个像素以形成一个新的图层。在海量影像多分辨率抽样过程中，抽样的图层数量由海量影像分辨率与显示屏幕中图像显示窗口分辨率之间的比值决定，当抽样图层的像素与显示窗口的像素比例最接近1:1时，抽样得到的图层即为当前显示用的图层。如：分辨率大小为16384×8192的图像经多分辨率抽样后生成的图层大小依次为：8192×4096、4096×2048、2048×1024、1024×512等，若显示屏幕中图像显示窗口的大小为2000×1000，则2048×1024的图层与显示屏幕中图像显示窗口的比例最接近1:1，可采用2048×1024的图层完成图像显示即可。这样，通过抽样过程既可大大减少显示数据的冗余，又可满足显示的分辨率要求。为了减少重复抽样操作，可将抽样后的LOD图层保存在存储设备中备用。
海量影像多分辨率抽样和分块处理模块在完成海量影像多分辨率抽样后，对抽样所得到的LOD图层进行分块处理，即对LOD图层中每个分辨率图层的数据按固定大小的网格进行划分，分割成固定大小的数据块。为便于硬件对图像的优化处理以及减少纹理压缩时的运算，分块大小通常取2的幂次方。分块大小可采用128×128、256×256、512×512等。数据块的大小会影响显示性能，数据块太大可能导致读取过多的冗余数据，浪费计算资源，数据块太小将增加读写次数；本实施例根据系统特点采用的分块大小为256×256。通过上述分块后，每个分辨率图层的像素块大小是固定的，数据加载时可按数据块进行操作，而不需要针对图层像素进行，大大减少了数据加载的循环运算次数，加快了数据调度管理，更利于多线程的读取，提高了海量影像的加载管理效率。
虚拟纹理动态加载模块通过物理纹理页表和虚拟纹理页表对当前需要显示的图层实现虚拟纹理动态加载，其过程如图3所示：
步骤S1，根据当前显示屏幕中图像显示窗口大小对当前需要显示的图层与数据块进行判定。根据当前显示屏幕中图像显示窗口的大小，从LOD图层中选择出与当前显示屏幕中图像显示窗口像素比例最接近1:1的海量影像的抽样分辨率图层，并确定该抽样分辨率图层为最适合图层，所述最适合图层判定为当前需要显示的图层；当前显示屏幕中图像显示窗口与所述最适合图层的重叠区域即为当前需要显示的图层区域，所述当前需要显示的图层区域中包含的所有数据块判定为当前需要读取和加载的数据块。当前需要读取和加载的数据块即为当前需要显示图层的数据块。
步骤S2，将当前需要显示图层的数据块更新到物理纹理页表中。对步骤S1中需要显示的数据块进行读取前，需要判断该数据块是否已经在物理纹理页表中，如果已经在物理纹理页表中则不需要再次读取该数据块，直接执行步骤S3，这样可以减少数据块的读取次数，避免多次读取同一块数据。如果物理纹理页表中没有该数据块，则需要读取该当前需要显示图层的数据块，并根据LRU算法(Least Recently Used，近期最少使用算法)替换掉物理纹理页表中最长时间没有使用的数据块；在对数据块进行替换时同时执行步骤S3。所述的LRU算法是对每个数据块加一个时间标识，当数据块载入或者数据块已经在物理纹理页表中需要显示时，更新该数据块的时间标识，替换时将最长时间没有使用的数据块作为可替换的数据块即可。为了提高数据块的加载速度，可以同时启动多个线程不断的对数据块进行读取和替换。
步骤S3，修改虚拟纹理页表中当前需要显示图层的数据块在物理纹理页表中的索引值，该索引值指出该当前需要显示图层的数据块在物理纹理页表中的存储位置。
当物理纹理页表和虚拟纹理页表更新完成之后，就可以利用这两个纹理页表对海量影像图进行渲染显示。CPU+GPU渲染显示模块包括相互连接的CPU和GPU，对当前需要显示的图层与数据块进行判定由CPU来完成，CPU还完成需显示的数据块的读取、加载；对海量影像图像的渲染显示由GPU来完成。本发明并行超高分辨率海量影像显示系统对海量影像图像的显示过程如下：
(1)CPU接到显示指令后判定当前需要显示的图层，由海量影像多分辨率抽样和分块处理模块抽样生成所述当前需要显示的图层并进行相应的逻辑分块处理。然后，CPU根据当前的显示需求定位当前需要显示的图层区域，把所述当前需要显示的图层区域中所有的数据块标记为需加载的数据块，启动数据加载多线程将标记的需加载的数据块调入物理纹理页表。数据块调入物理纹理页表时首先判断该数据块是否已经存在于物理纹理页表中，若数据块曾经加载到物理纹理页表中了，则不需要重复加载，直接修改虚拟纹理页表索引指向该数据块在物理纹理页表中的位置即可；若数据块不在物理纹理页表中，则根据LRU算法替换物理纹理页表中的闲置数据块，然后修改虚拟纹理页表的索引值即可。如此循环，直至所有需显示的数据块均被载入物理纹理页表中，且虚拟纹理页表完成与物理纹理页表数据块的索引，图像显示的数据块加载过程便结束了。
(2)CPU完成需显示的数据块的读取和加载后，把物理纹理页表和虚拟纹理页表更新到GPU中；由GPU负责虚拟纹理页表寻址找出当前需要显示图层的数据块在物理纹理页表中的坐标，并使用着色器对图像进行显示渲染输出。根据当前显示图像的每个像素的在图像中的坐标，可以计算出该像素在虚拟纹理页表中位置(坐标值除以数据块大小)，可以得到该像素的索引值，该索引值记录了当前需要显示图层的数据块在物理纹理页表中的坐标。得到物理纹理页表的坐标后，可以通过着色器取得纹理颜色对该像素(即当前显示图像的每个像素)着色，这样就可以在显示屏幕中图像显示窗口上正确显示当前需要显示图层的数据块，非当前需要显示图层的数据块将会忽略掉，不会被读取和显示。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.超高分辨率平台下的海量影像并行处理显示方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，对海量影像进行多分辨率抽样，即对原始图像进行逐层抽样生成具有不同分辨率的多细节层次图层；在所述多细节层次图层中最高分辨率图层对应原始图像，最低分辨率图层的像素与显示屏幕中图像显示窗口的像素比例最接近1:1；
第二步，对第一步中所述多细节层次图层进行分块处理，即对所述多细节层次图层中每个分辨率图层的数据按固定大小的网格进行划分，分割成固定大小的数据块；
第三步，通过物理纹理页表和虚拟纹理页表对当前需要显示的图层实现虚拟纹理动态加载，所述当前需要显示的图层根据当前显示区域像素从所述多细节层次图层中选择出来；
第四步，更新物理纹理页表和虚拟纹理页表，然后对虚拟纹理页表寻址找出当前数据块在物理纹理页表中的坐标，使用着色器对图像进行显示渲染输出；
所述当前需要显示图层的数据块加载后存放在物理纹理页表中，所述虚拟纹理页表记录当前需要显示图层的数据块与物理纹理页表中存放的数据块之间的位置对应关系。
2.根据权利要求1所述的海量影像并行处理显示方法，其特征在于，所述第三步包括以下步骤：
A1，根据当前显示屏幕中图像显示窗口的大小，从多细节层次图层中选择出与当前显示屏幕中图像显示窗口像素比例最接近1:1的图层作为当前需要显示的图层；当前显示屏幕中图像显示窗口与所述当前需要显示的图层的重叠区域即为当前需要显示的图层区域，所述当前需要显示的图层区域中包含的所有数据块判定为当前需要显示图层的数据块；
A2，将当前需要显示图层的数据块更新到物理纹理页表中；
A3，修改虚拟纹理页表中当前需要显示图层的数据块在物理纹理页表中的索引值，所述索引值指出所述当前需要显示图层的数据块在物理纹理页表中的存储位置。
3.根据权利要求2所述的海量影像并行处理显示方法，其特征在于，所述步骤A2中若物理纹理页表中没有所述当前需要显示图层的数据块，则读取所述当前需要显示图层的数据块，并替换掉物理纹理页表中最长时间没有使用的数据块。
4.根据权利要求1所述的海量影像并行处理显示方法，其特征在于，所述第一步多分辨率抽样过程为：对最高分辨率图层进行抽样形成一个低一级分辨率的图层；然后对前述低一级分辨率的图层再次进行抽样，得到一个次低一级分辨率的图层；被抽样图层均为上一次抽样后所得到的较低次分辨率图层，如此逐层进行，直至被抽样图层的像素与显示屏幕中图像显示窗口的像素比例最接近1:1。
5.根据权利要求1所述的海量影像并行处理显示方法，其特征在于，所述第四步中，通过着色器取得纹理颜色对当前显示图像的每个像素着色，从而在显示屏幕中图像显示窗口上正确显示当前需要显示图层的数据块，非当前需要显示图层的数据块不会被读取和显示。
6.基于权利要求2所述海量影像并行处理显示方法的海量影像并行处理显示系统，其特征在于包括：
海量影像多分辨率抽样和分块处理模块，用于对海量影像进行多分辨率抽样，即对原始图像进行逐层抽样生成具有不同分辨率的多细节层次图层；并对所述多细节层次图层中每个分辨率图层的数据按固定大小的网格进行分块处理，分割成固定大小的数据块；
虚拟纹理动态加载模块，用于通过物理纹理页表和虚拟纹理页表对当前需要显示的图层实现虚拟纹理动态加载；以及
CPU+GPU渲染显示模块，包括相互连接的CPU和GPU，CPU用于根据当前的显示需求定位当前需要显示的图层区域，把所述当前需要显示的图层区域中所有的数据块标记为需加载的数据块，启动数据加载多线程将标记的需加载的数据块调入物理纹理页表，并把物理纹理页表和虚拟纹理页表更新到GPU中；GPU用于负责虚拟纹理页表寻址，找出当前需要显示图层的数据块在物理纹理页表中的坐标，并使用着色器对图像进行显示渲染输出；
所述海量影像多分辨率抽样和分块处理模块、虚拟纹理动态加载模块及CPU+GPU渲染显示模块依次连接。
7.根据权利要求6所述的海量影像并行处理显示系统，其特征在于，所述分块处理中，分块大小取2的幂次方。
8.根据权利要求6所述的海量影像并行处理显示系统，其特征在于，所述海量影像并行处理显示系统还包括与CPU+GPU渲染显示模块连接的超高分辨率拼接显示模块；所述超高分辨率拼接显示模块包括主控制节点机、若干子节点机以及与子节点机相连接的多个显示屏，在主控制节点机、各子节点机上均设置了海量影像多分辨率抽样和分块处理模块、虚拟纹理动态加载模块、CPU+GPU渲染显示模块，其中主控制节点机调度各个子节点机的渲染和控制，实现多显示区域的划分和同步管理，子节点机在主控制节点机的控制下，负责多个显示屏的渲染显示。
9.根据权利要求6所述的海量影像并行处理显示系统，其特征在于，所述多分辨率抽样的抽样比例为4:1。
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