CN112085646A - 一种航空模拟器的远近景分布式并行渲染方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种航空模拟器的远近景分布式并行渲染方法及系统，该方法包括以下步骤：将整个渲染画面分为近景图层和远景图层；将远景图层在一个远景GPU上单独进行渲染；将远景图层分为奇数帧和偶数帧，将奇数帧和偶数帧放在不同的近景GPU上分别进行渲染；将渲染完毕后的远景图像和近景图像在一个单独的图像处理GPU上进行逐帧合成、切分、校正，将校正后的图像按照固定帧频率还原成球面上的图像。本发明摈弃多通道硬件帧同步技术，从而降低了系统硬件成本，为实现航空模拟器成像系统的研发与创新提供了新思路。

Description

一种航空模拟器的远近景分布式并行渲染方法及系统

技术领域

本发明涉及航空模拟器的视景系统，具体涉及一种航空模拟器的远近景分布式并行渲染方法及系统。

背景技术

目前，主流视景IG通常按照分通道进行场景生成与渲染，实现连续大场景的实时图像生成，其结构如图1所示，具体原理为：当视景管理计算机接收飞行仿真计算机的位置和姿态信息后，根据位置和姿态信息将整个渲染画面切分为左眼、右眼以及不同视角对应的平面渲染区域，然后将不同视角的渲染指令通过网络发送给各个渲染计算机，各个渲染计算机内存储有一套完全一样的视景数据库。各个渲染计算机分别对渲染指令要求的视角进行渲染，每个渲染计算机完成当前帧渲染后，通过专用硬件或网卡向视景管理计算机发送渲染完成信号，视景管理计算机收到所有渲染计算机的渲染完成信息后，向渲染计算机发出同步信号，渲染计算机输出当前帧图像，完成多通道图像同步输出。最后通过图像后处理技术把渲染计算机输出的图像还原成球面上的成像。

但是，这种方法需要在每台渲染计算机本地存储相同的视景数据库，这使得整个系统所能承载的场景复杂性受到限制，一旦场景复杂度超过限制要求，整个系统就难以顺畅运行。另外，这种方法采用的硬件帧同步技术对于硬件同步处理的要求很高，能够满足这一需求的硬件同步设备非常昂贵，使得整个视景IG系统的成本高昂。

发明内容

发明目的：为克服现有技术的缺陷，本发明提出一种全新的航空模拟器远近景分布式并行渲染方法及系统。

技术方案：本发明提出一种航空模拟器的远近景分布式并行渲染方法，包括以下步骤：

(1)将整个渲染画面分为近景图层和远景图层；

(2)将远景图层在一个远景GPU上单独进行渲染；

(3)将远景图层分为奇数帧和偶数帧，将奇数帧和偶数帧放在不同的近景GPU上分别进行渲染；

(4)将渲染完毕后的远景图像和近景图像在一个单独的图像处理GPU上进行逐帧合成、切分、校正，将校正后的图像按照固定帧频率还原成球面上的图像。

本发明基于远景动态度较低、近景动态度较高的特点，将远景和近景分层进行渲染。由于远景图层的分辨率和图像质量低于近景图层，所以本发明采用一个单独的远景GPU进行远景渲染。近景图层中的三维云、动态海浪和近距离目标等对材质清晰度和光照等非常敏感，为提高图像逼真度，近景的渲染相较于远景的渲染要多出很多数据处理量。因此，本发明将奇数帧和偶数帧放在不同的近景GPU上分别进行渲染。采用这样的方式，远景GPU中只需要存储远景渲染所需的素材，而近景GPU中仅需存储近景渲染所需素材，这大大降低了渲染素材对内存和总线资源的占用。

另一发面，本发明还设计了一种航空模拟器的远近景分布式并行渲染系统，用于实现所述的方法，该系统基于异步高速并行总线技术实现，包括视景管理计算机和飞行仿真计算机、第一CPU、第二CPU、近景GPU、远景GPU和图像后处理GPU；视景管理计算机与第一、第二CPU之间以及第一、第二CPU之间，通过系统总线连接，第一CPU通过系统总线分别连接远景GPU和图像后处理GPU，第二CPU通过系统总线连接近景GPU；近景GPU分为奇数帧GPU和偶数帧GPU；

视景管理计算机根据飞行仿真计算机发送的位置和姿态信息计算出相应视角的待渲染三维场景图像数据，然后待渲染三维场景图像数据分别发送给第一CPU和第二CPU；第一CPU从待渲染三维场景图像数据中分离出远景图层，然后将渲染远景图层所需的素材发送给远景GPU进行远景图像渲染；第二CPU从待渲染三维场景图像数据中分离出近景图层，再将渲染近景图层所需的素材发送给近景GPU，然后按照本帧是奇数帧还是偶数帧控制相应的近景GPU进行近景图像渲染；近景GPU渲染好的图像通过第二CPU送入第一CPU，再通过第一CPU送入图像后处理GPU；远景GPU渲染好的图像通过第一CPU送入图像后处理GPU；图像后处理GPU将渲染完毕后的远景图层和近景图层进行合成、切分、校正，将校正后的图像按照固定帧频率还原成球面上的图像。

异步高速并行总线技术的原理如下：

稳定帧频率是视景系统的重要性能之一，帧率由视景系统渲染场景所需的时间决定。由于视景计算机需要在曲面上产生高分辨率的画面，通常采用多GPU分视角渲染技术，这种技术中，一次经典渲染由以下阶段组成：分视角渲染、帧同步及融合拼接、几何校正。

如图1所示，在分视角渲染阶段，由于同一份场景素材需要通过总线传到各GPU，导致总线带宽被大量占用，帧率受到总线带宽限制。在帧同步及融合拼接阶段，对GPU硬件的多通道帧同步技术要求很高，有任何一个通道无法按照固定帧频率完成渲染，则将导致所有画面无法同步，帧率受到GPU间负载不均衡的影响，容易出现浮动。

因此，总线带宽的限制和GPU间负载不均衡，使得采用传统渲染技术的视景系统很难保持稳定的帧率。

本发明所提出的基于异步高速并行总线技术的航空模拟器的远近景分布式并行渲染系统采用双引擎协同渲染的技术，解决了GPU之间负载不均衡的问题。其中，远景GPU搭载远景渲染引擎以实现远景渲染，而多个近景GPU则搭载近景渲染引擎以实现近景渲染。这种方式将原本跑在一个GPU上的任务拆分成多个GPU并行运行，大大降低了单个GPU的负载，提高了高精度复杂场景的处理能力，并且从算力上保障了高帧率的显示输出，锁定了帧率和系统延迟。

进一步的，所述近景GPU成对设置以形成近景GPU阵列，成对的近景GPU中，一个为奇数帧GPU，一个为偶数帧GPU，奇数帧GPU和偶数帧GPU之间通过共享显存总线连接，第二CPU只向成对的近景GPU中的一个传输素材，另一个近景GPU通过共享显存总线与存储素材的近景GPU共享内存。

此处采用多GPU阵列双总线技术，以解决总线带宽的限制。第二CPU只需要向成对的近景GPU中的一个传输素材，则另一个近景GPU就可以通过共享显存总线访问存有素材的近景GPU，降低了系统总线的数据传输压力，提高了数据传输速率。

进一步的，所述近景GPU中仅存储用于渲染近景图层的高级别LOD素材

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1、远近景分布式并行渲染系统摈弃多通道硬件帧同步技术，即降低了系统硬件成本并回避了多通道同步技术的应用，为实现航空模拟器成像系统的研发与创新提供了新思路。

2、减少多通道同步技术软件处理时间，保证多通道完全同步，确保图像更新率稳定在60Hz或更高；

附图说明

图1为现有技术的系统结构；

图2为实施例涉及的系统结构。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。但应当理解的是，本发明可以以各种形式实施，以下在附图中出示并且在下文中描述的一些示例性和非限制性实施例，并不意图将本发明限制于所说明的具体实施例。

应当理解的是，在技术上可行的情况下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本发明范围内的另外的实施例。此外，本发明所述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以对以上所阐述的结构、步骤、顺序做出相应修改而不脱离本发明的保护范围。

实施例：

为实现航空模拟器的远近景分布式并行渲染方法，本实施例中的计算机采用GPU图形工作站，内置六块RTX2080显卡，主机内存64G，Win10 64位操作系统。

图2为本实施例的结构图，包括上位机、CPU1、CPU2、GPU1、GPU2、GPU3、GPU4、GPU5、GPU6。本实施例将整个渲染画面分为近景和远景两个图层，采用全景摄像机和多线程分布式并行渲染技术。由于远景图层的分辨率和图像质量低于近景图层，因此由GPU#1单独完成奇偶帧渲染。近景图层中的三维云、动态海浪和近距离目标等对材质清晰度和光照等非常敏感。为提高图像逼真度增加了数据处理量，因此由GPU#3～#6完成奇偶帧渲染，其中，奇数帧渲染由GPU#3和GPU#4完成，偶数帧渲染由GPU#5和GPU#6完成。GPU#3和GPU#4通过GPU间的第二高速总线共享内存，基于实时光线追踪技术GPU#3和GPU#4协同完成动态海浪、近距离目标和地形光照等奇数帧渲染，同理GPU#5和GPU#6完成偶数帧渲染。奇偶数帧通过系统总线传输给GPU#2，由GPU#2统一进行各输出通道的切分、边缘调整和亮度融合等，完成多通道航空模拟器成像功能。

上位机包括视景管理计算机和飞行仿真计算机，视景管理计算机实时接收飞行模拟器主机的飞机位置信息(六自由度)，计算当前全景虚拟摄像机显示区域，然后将当前视点50公里以外区域视景数据传输到GPU1#缓冲中，采用光栅化图像处理技术绘制。

对于当前视点50公里以内显示区域，为实现高质量图像渲染，由GPU3#、GPU4#、GPU5#、GPU6#完成地形纹理、动态海浪和三维模型的实时阴影、镜像和表面光照等渲染。

为提高图像更新率，GPU3#、GPU4#负责奇数帧渲染，GPU5#、GPU6#负责偶数帧渲染。

最后由GPU2#将远、近景图形合成一幅完整帧。根据各通道虚拟摄像机的属性将画面切割成3个独立的图像数据，通过视景管理软件内置的边缘调整与亮度融合软件进行校正融合，由显卡DP端口输出最终图像到显示设备。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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 (4)

1.一种航空模拟器的远近景分布式并行渲染方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将整个渲染画面分为近景图层和远景图层；

(2)将远景图层在一个远景GPU上单独进行渲染；

(3)将远景图层分为奇数帧和偶数帧，将奇数帧和偶数帧放在不同的近景GPU上分别进行渲染；

(4)将渲染完毕后的远景图像和近景图像在一个单独的图像处理GPU上进行逐帧合成、切分、校正，将校正后的图像按照固定帧频率还原成球面上的图像。

2.一种航空模拟器的远近景分布式并行渲染系统，用于实现权利要求1所述的方法，包括视景管理计算机和飞行仿真计算机，其特征在于，还包括第一CPU、第二CPU、近景GPU、远景GPU和图像后处理GPU；视景管理计算机与第一、第二CPU之间以及第一、第二CPU之间，通过系统总线连接，第一CPU通过系统总线分别连接远景GPU和图像后处理GPU，第二CPU通过系统总线连接近景GPU；近景GPU分为奇数帧GPU和偶数帧GPU；

视景管理计算机根据飞行仿真计算机发送的位置和姿态信息计算出相应视角的待渲染三维场景图像数据，然后待渲染三维场景图像数据分别发送给第一CPU和第二CPU；第一CPU从待渲染三维场景图像数据中分离出远景图层，然后将渲染远景图层所需的素材发送给远景GPU进行远景图像渲染；第二CPU从待渲染三维场景图像数据中分离出近景图层，再将渲染近景图层所需的素材发送给近景GPU，然后按照本帧是奇数帧还是偶数帧控制相应的近景GPU进行近景图像渲染；近景GPU渲染好的图像通过第二CPU送入第一CPU，再通过第一CPU送入图像后处理GPU；远景GPU渲染好的图像通过第一CPU送入图像后处理GPU；图像后处理GPU将渲染完毕后的远景图层和近景图层进行合成、切分、校正，将校正后的图像按照固定帧频率还原成球面上的图像。

3.根据权利要求2所述的一种航空模拟器的远近景分布式并行渲染系统，其特征在于，所述近景GPU成对设置以形成近景GPU阵列，成对的近景GPU中，一个为奇数帧GPU，一个为偶数帧GPU，奇数帧GPU和偶数帧GPU之间通过共享显存总线连接，第二CPU只向成对的近景GPU中的一个传输素材，另一个近景GPU通过共享显存总线与存储素材的近景GPU共享内存。

4.根据权利要求3所述的一种航空模拟器的远近景分布式并行渲染系统，其特征在于，所述近景GPU中仅存储用于渲染近景图层的高级别LOD素材。

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