CN111563948B - 基于gpu进行资源动态处理和缓存的虚拟地形渲染方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GPU进行资源动态处理和缓存的虚拟地形渲染方法，根据空间四叉树算法构建地形网格；根据视点位置对地形逐渐细分和视锥裁剪，根据逻辑坐标定位的资源为不同的地形资源创建GPU端缓存实现不同着色器程序；为不同的资源开启不同的渲染流程处理完成后存放入GPU实现开辟的缓存中；为地形渲染编写着色器为地形裁剪后剩余的节点创建绘制指令，提交Draw Call到GPU完成绘制。本发明通过充分利用GPU的计算能力，不仅将渲染工作交给GPU，也将渲染资源的处理工作也交给GPU完成，从而大大加速了资源处理工作。同时实现了一整套GPU资源缓存和访问算法，加速资源的访问性能，进一步提升了渲染的性能，使得超大规模虚拟地形的实时渲染和灵活编辑成为可能。

Description

基于GPU进行资源动态处理和缓存的虚拟地形渲染方法

技术领域

本发明涉及三维实时渲染技术领域，尤其涉及基于GPU进行资源动态处理和缓存的虚拟地形渲染方法。

背景技术

虚拟地形是构建虚拟三维世界必不可少的一部分，在游戏、军事、仿真以及GIS等领域都需要构建一个逼近真实的虚拟地形，它是整个虚拟环境的基石，同时也是各类仿真要素得以开展的基础。尤其在军事仿真和地理信息领域，往往需要构建一个超大规模的虚拟地形，而且对地形的实时编辑也有很高要求，这就给虚拟地形的渲染带来了很大挑战。现有的地形渲染技术主要分为两大类：

一类是通过数字内容制作软件比如3DMax，Maya等离线制作地形，然后导入到场景中进行渲染，这种方式只适用于规模非常小的地形，同时很不灵活，无法对地形进行实时更新。

另一类是通过LOD算法来动态生成地形网格。用于绘制地形的资源通过离线的方式生成好，然后通过CPU处理后提交给GPU。这种方式可以处理较大规模的地形，但是一旦地形规模过大，由于资源的准备和更新都是在CPU端完成的，对于很多光栅化数据，由于数据体量巨大而CPU的算力有限，所以GPU只能等待CPU完成数据处理，极大浪费了GPU的计算资源。同时，CPU与GPU之间过多的资源传输会快速占用PCI-e的传输带宽，导致渲染性能快速下降。使得地形的渲染和更新变得迟缓，无法满足很多领域的实时性要求。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出基于GPU进行资源动态处理和缓存的虚拟地形渲染方法，本发明。

根据本发明实施例一种基于GPU进行资源动态处理和缓存的虚拟地形渲染方法，所述方法步骤如下：

步骤1、构建一个空间四叉树数据结构；

步骤2、根据视点的位置对步骤1中的四叉树进行细分；

步骤3、遍历步骤2中的四叉树，收集所有的叶节点；

步骤4、将视锥与所有步骤2所得叶节点的包围盒求交，所有位于视锥包围盒以内的叶节点即为下一阶段需要渲染的部分，其他部分丢弃；

步骤5、组织地形渲染所需的资源；

步骤6、根据步骤5中资源的类型创建不同格式的GPU缓存且每种缓存都包含N个资源槽；

步骤7、为步骤3中所有细分出的瓦片创建逻辑坐标(x,y,l),逻辑坐标可以映射到该瓦片所需资源在GPU缓存中的位置；

步骤8、根据不同的资源处理算法分别为其编写shader程序；

步骤9、为每一次资源处理构建一个渲染流程，该渲染流程可以将步骤8中的着色器程序执行于GPU上，从而在GPU中完成资源的处理工作；

步骤10、将步骤9中处理过的资源写回到资源缓存；

步骤11、为不同的资源更新和编辑操作编写不同的着色器程序；

步骤12、遍历帧循环中所有的更新操作，并为每一次更新操作创建一个渲染流程，该渲染流程负责将步骤11的着色器程序执行于GPU之上，完成资源的更新工作；

步骤13、将步骤12中更新过后的资源写回到缓存；

步骤14、编写地形渲染的着色器程序；

步骤15、使用步骤14中的着色器程序，为步骤4得到的地形节点提交绘制请求，同时将地形节点的逻辑坐标通过Uniform变量的方式传入GPU；

步骤16、GPU执行步骤15的绘制请求，同时通过步骤15传入的逻辑坐标获得资源槽的地址，从而获取绘制所需的资源，完成渲染工作。

优选地，所述步骤1中构建的空间四叉树数据结构中每个四叉树节点对应一个地形瓦片。

优选地，所述步骤2中的细分规则是基于视点的位置到瓦片中心点的距离大于设定的阈值就细分。

优选地，所述步骤4中求交的具体步骤为使用视锥的六个面分别与轴对齐包围盒求交点，以交点坐标判定节点的状态，所述节点的状态包括在视锥内、在视锥外或者相交。

优选地，所述步骤5中的资源包括贴图、顶点和着色器常量。

优选地，所述步骤6中的GPU缓存包括：

贴图资源缓存，使用纹理数组的方式创建；

顶点数据缓存，使用顶点缓存对象的方式创建；

着色器常量缓存，使用一致性变量缓冲对象的方式创建。

优选地，所述步骤7中设置的逻辑坐标具体为：x和y分别为瓦片左下角的相对坐标，l为四叉树细分层级。

优选地，所述步骤9中创建渲染流程的具体过程如下：

步骤91、定义一个单位大小的四边形顶点数组，数组中包含四个顶点和其纹理坐标；

步骤92、设置渲染流程的帧缓存；

步骤93、设置渲染流程的渲染状态；

步骤94、设置渲染流程的着色器程序，着色器程序主要是指资源处理程序；

步骤95、向GPU提交一次绘制请求，将着色器程序运行于GPU之上；

步骤96、着色器程序访问缓存中的资源，执行资源处理程序；

步骤97、处理完成后，将资源写回到缓存。

优选地，所述步骤12中创建渲染流程的具体过程与步骤9相同，但执行的着色器程序和设置的渲染状态不同。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过构建空间四叉树数据结构将地形资源分瓦片，然后通过GPU对地形资源进行动态处理，处理过后的资源直接缓存于GPU之中，以提供给后续操作的使用。这样可以充分利用GPU并行计算的能力，极大提升计算密集型资源处理算法的执行效率，从而为大规模地形的渲染提供了可靠的性能保证，同时通过GPU显存缓存技术，降低了数据传输带来的延迟，进一步提升了渲染的性能。

由于贴图资源的处理都是在着色器中实现，所有资源都可以光栅化之后，利用图像处理的方式进行编辑，将原本很多复杂的编辑操作变得简单高效，可以满足超大规模地形的实时编辑和更新。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提出的基于GPU进行资源动态处理和缓存的虚拟地形渲染方法的流程图；

图2是本发明提供的基于GPU进行资源动态处理和缓存的虚拟地形渲染方法的GPU资源处理流程图；

图3是本发明提供的基于GPU进行资源动态处理和缓存的虚拟地形渲染方法的资源更新流程图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

参照图1，一种基于GPU进行资源动态处理和缓存的虚拟地形渲染方法，所述方法步骤如下：

步骤1、构建一个空间四叉树数据结构，每个四叉树节点对应一个地形瓦片；

步骤2、根据视点的位置对步骤1中的四叉树进行细分，细分规则是基于视点的位置到瓦片中心点的距离，大于某个阈值就细分；

步骤3、遍历步骤2中的四叉树，收集所有的叶节点；

步骤4、将视锥与所有步骤2所得叶节点的包围盒求交，所有位于视锥包围盒以内的叶节点即为下一阶段需要渲染的部分，其他部分丢弃，其中求交的具体步骤为使用视锥的六个面分别与轴对齐包围盒求交点，以交点坐标判定节点的状态，所述节点的状态包括在视锥内、在视锥外或者相交等；

步骤5、组织地形渲染所需的资源，资源包括贴图、顶点和着色器常量等；

参照图2，步骤6、根据步骤5中资源的类型创建不同格式的GPU缓存且每种缓存都包含N个资源槽，其中GPU缓存包括：

贴图资源缓存，使用纹理数组的方式创建；

顶点数据缓存，使用顶点缓存对象的方式创建；

着色器常量缓存，使用一致性变量缓冲对象的方式创建；

步骤7、为步骤3中所有细分出的瓦片创建逻辑坐标(x,y,l),逻辑坐标可以映射到该瓦片所需资源在GPU缓存中的位置；

其中，设置的逻辑坐标具体为：x和y分别为瓦片左下角的相对坐标，l为四叉树细分层级；

步骤8、根据不同的资源处理算法分别为其编写shader程序；

步骤9、为每一次资源处理构建一个渲染流程，该渲染流程可以将步骤8中的着色器程序执行于GPU上，从而在GPU中完成资源的处理工作，其中创建渲染流程的具体过程：

步骤91、定义一个单位大小的四边形顶点数组，数组中包含四个顶点和其纹理坐标；

步骤92、设置渲染流程的帧缓存；

步骤93、设置渲染流程的渲染状态；

步骤94、设置渲染流程的着色器程序，着色器程序这里主要是指资源处理程序；

步骤95、向GPU提交一次绘制请求，将着色器程序运行于GPU之上；

步骤96、着色器程序访问缓存中的资源，执行资源处理程序；

步骤97、处理完成后，将资源写回到缓存。

步骤10、将步骤9中处理过的资源写回到资源缓存；

参照图3，步骤11、为不同的资源更新和编辑操作编写不同的着色器程序；

步骤12、遍历帧循环中所有的更新操作，并为每一次更新操作创建一个渲染流程，该渲染流程负责将步骤11的着色器程序执行于GPU之上，完成资源的更新工作；

其中，创建渲染流程的具体过程与步骤9相同，但执行的着色器程序和设置的渲染状态不同；

步骤13、将步骤12中更新过后的资源写回到缓存；

步骤14、编写地形渲染的着色器程序，该程序决定了地形最终的外观；

步骤15、使用步骤14中的着色器程序，为步骤4得到的地形节点提交绘制请求，同时将地形节点的逻辑坐标通过Uniform变量的方式传入GPU；

步骤16、GPU执行步骤15的绘制请求，同时通过步骤15传入的逻辑坐标获得资源槽的地址，从而获取绘制所需的资源，完成渲染工作。

实施例1：

下面以一个超大规模地形渲染为实施案例，详述本发明的实施过程：

S1、创建一个地形根节点，该节点包含了一个四叉树数据结构的根节点；

S2、定义虚拟相机的视场角为60度，屏幕分辨率为1920*1080，远近裁剪面的距离分别为1米和12720000米；

S3、根据虚拟相机的位置对S1中的节点进行实时细分。是否细分的判断标准是每个四叉树节点的中心点到虚拟相机的距离，当距离d小于某个阈值时则节点细分为四个节点。阈值的计算公式一般为：

S＝F*S；

其中S为每个地形四叉树节点的尺寸，单位为米，F为调整系数；

S4、为S3中每个细分出来的节点设置逻辑坐标(x,y,l)，x和y分别代表该四叉树节点左下角的相对整个地形网格的相对坐标,l表示该四叉树节点的层级；

S5、遍历S3中所有的节点，遍历算法就是标准的四叉树遍历算法。然后分别对视锥与节点进行相交测试，相交测试的算法为轴对齐包围盒的相交检测算法；

S6、分别为贴图资源和顶点资源创建GPU缓存。贴图资源包含了地形高程纹理，地形颜色纹理，地形法线纹理以及地形植被覆盖纹理，顶点缓存中存储的是25*25的单位网格数据。纹理缓存采用的是OpenGL的二维纹理数组的形式，而顶点缓存则采用的是OpenGL的顶点缓冲对象的形式；

S7、为高程和颜色纹理资源编写上采样着色器处理程序，程序中对父节点资源进行采样，融合噪声细节后作为子节点的资源数据。为法线资源编写生成算法，根据缓存中的高程数据计算获取每个地形顶点的发现数据，并存储在法线贴图缓存中；

S8、为S7中每种资源处理程序创建一个渲染流程，根据处理算法的不同设置不同的渲染状态，比如融合方程，深度测试，清空颜色，设置视口等。然后创建一个OpenGL的帧缓存对象，以每种资源的处理shader为绘制程序，提交绘制指令；

S9、步骤S8的处理程序结束后，将帧缓存对象中的内容复制回对应的资源槽，从而完成资源的处理工作；

S10、以与步骤S7、S8和S9相同的方式处理资源的编辑工作；

S11、为地形本身的渲染编写着色器，着色器中主要实现地形着色的光照算法。同时实现了从逻辑坐标(x,y,l)映射到资源缓存位置的方法，从而可以获取缓存中资源，坐标映射的算法可以实现为：

K_location＝hash(x,y,l)；

K为资源在CPU端资源的资源槽索引，通过该索引可以获取资源在GPU端的位置。以贴图资源为例，最终通过K获得是二维纹理数组的layer，通过该layer即可获取对应的贴图；

S12、最后为步骤S5中通过相交测试的节点创建绘制指令，绘制指令是通过glDraw*命令提交的。

本发明通过构建空间四叉树数据结构将地形资源分瓦片，然后通过GPU对地形资源进行动态处理，处理过后的资源直接缓存于GPU之中，以提供给后续操作的使用。这样可以充分利用GPU并行计算的能力，极大提升计算密集型资源处理算法的执行效率，从而为大规模地形的渲染提供了可靠的性能保证。同时，通过GPU显存缓存技术，降低了数据传输带来的延迟，进一步提升了渲染的性能。

由于贴图资源的处理都是在着色器中实现，所以对资源的实时编辑和更新也变得简单高效，可以满足超大规模地形的实时编辑和更新。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于GPU进行资源动态处理和缓存的虚拟地形渲染方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

步骤1、构建一个空间四叉树数据结构；

其中，所述步骤1中构建的空间四叉树数据结构中每个四叉树节点对应一个地形瓦片；

步骤2、根据视点的位置对步骤1中的四叉树进行细分；

步骤3、遍历步骤2中的四叉树，收集所有的叶节点；

步骤4、将视锥与所有步骤2所得叶节点的包围盒求交，所有位于视锥包围盒以内的叶节点即为下一阶段需要渲染的部分，其他部分丢弃；

步骤5、组织地形渲染所需的资源；

其中，所述步骤5中的资源包括贴图、顶点和着色器常量；

步骤6、根据步骤5中资源的类型创建不同格式的GPU缓存且每种缓存都包含N个资源槽；

步骤7、为步骤3中所有细分出的瓦片创建逻辑坐标(x,y,l),逻辑坐标可以映射到该瓦片所需资源在GPU缓存中的位置；

步骤8、根据不同的资源处理算法分别为其编写shader程序；

步骤9、为每一次资源处理构建一个渲染流程，该渲染流程可以将步骤8中的着色器程序执行于GPU上，从而在GPU中完成资源的处理工作；

其中，所述步骤9中创建渲染流程的具体过程如下：

步骤91、定义一个单位大小的四边形顶点数组，数组中包含四个顶点和其纹理坐标；

步骤92、设置渲染流程的帧缓存；

步骤93、设置渲染流程的渲染状态；

步骤94、设置渲染流程的着色器程序，所述着色器程序为资源处理程序；

步骤95、向GPU提交一次绘制请求，将着色器程序运行于GPU之上；

步骤96、着色器程序访问缓存中的资源，执行资源处理程序；

步骤97、处理完成后，将资源写回到缓存；

步骤10、将步骤9中处理过的资源写回到资源缓存；

步骤11、为不同的资源更新和编辑操作编写不同的着色器程序；

步骤12、遍历帧循环中所有的更新操作，并为每一次更新操作创建一个渲染流程，该渲染流程负责将步骤11的着色器程序执行于GPU之上，完成资源的更新工作；

步骤13、将步骤12中更新过后的资源写回到缓存；

步骤14、编写地形渲染的着色器程序；

步骤15、使用步骤14中的着色器程序，为步骤4得到的地形节点提交绘制请求，同时将地形节点的逻辑坐标通过Uniform变量的方式传入GPU；

步骤16、GPU执行步骤15的绘制请求，同时通过步骤15传入的逻辑坐标获得资源槽的地址，从而获取绘制所需的资源，完成渲染工作。

2.根据权利要求1所述的基于GPU进行资源动态处理和缓存的虚拟地形渲染方法，其特征在于：所述步骤2中的细分规则是基于视点的位置到瓦片中心点的距离大于设定的阈值就细分。

3.根据权利要求1所述的基于GPU进行资源动态处理和缓存的虚拟地形渲染方法，其特征在于：所述步骤4中求交的具体步骤为使用视锥的六个面分别与轴对齐包围盒求交点，以交点坐标判定节点的状态，所述节点的状态包括在视锥内、在视锥外或者相交。

4.根据权利要求1所述的基于GPU进行资源动态处理和缓存的虚拟地形渲染方法，其特征在于：所述步骤6中的GPU缓存包括：

贴图资源缓存，使用纹理数组的方式创建；

顶点数据缓存，使用顶点缓存对象的方式创建；

着色器常量缓存，使用一致性变量缓冲对象的方式创建。

5.根据权利要求1所述的基于GPU进行资源动态处理和缓存的虚拟地形渲染方法，其特征在于：所述步骤7中设置的逻辑坐标具体为：x和y分别为瓦片左下角的相对坐标,此坐标描述了该瓦片在整个地形四叉树的相对位置，x为该瓦片的横向索引，y为纵向索引，l为四叉树细分层级。

6.根据权利要求1所述的基于GPU进行资源动态处理和缓存的虚拟地形渲染方法，其特征在于：所述步骤12中创建渲染流程的具体过程与步骤9相同，但执行的着色器程序和设置的渲染状态不同，渲染状态包括了深度测试方程，融合方程以及帧缓存清除颜色。

Images