CN1445664A - 计算机集群并行绘制系统中基于时空变换的负载平衡设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算机集群并行绘制系统中基于时空变换的负载平衡设计方法。其步骤为：1)客户端发送几何变换矩阵和屏幕区域A_ik到绘制节点S_i，启动第k帧绘制，并通知负载平衡模块；2)S_i完成A_ik像素的绘制，通知客户端；3)客户端主程序通知负载平衡模块，后者记录绘制时间t_ik；4)所有Si绘制结束，拼接图像并输出；5)负载平衡模块进行计算，得出屏幕剖分方式{A_ik+1}，用做下一帧绘制任务分配。应用本负载平衡方法可以有效地提高系统的负载平衡程度，使LB值升高，能提高系统绘制速度，并且计算开销很小，具有很好的实用价值。

Description

计算机集群并行绘制系统中基于时空变换的负载平衡设计方法

                          技术领域

本发明涉及一种计算机集群并行绘制系统中基于时空变换的负载平衡设计方法。

                          背景技术

计算机集群并行绘制系统建立在以高性能网络连接的多台工作站或PC之上，通过软件实现图形的并行处理。集群并行绘制系统有高性能、低成本、可扩展性好的特点，其应用包括三方面：

1)利用其低成本构造仿真系统，对新的硬件体系结构进行研究，如Pomegranate；

2)在人机交互领域，用集群驱动多台投影仪，构筑大尺寸、高分辨率的投影墙，如Display Wall系统；

3)通过对图形任务的并行处理，提供对包含大量数据和复杂纹理的场景的快速绘制，应用于沉浸式VR、科学计算可视化等领域，如WireGL和AnyGL。

并行绘制系统可分为前分布拼接合成、中分布拼接合成和全图像深度合成三种类型，集群系统大部分为前分布拼接合成类型，其特点为：屏幕剖分为一系列矩形区域，每个处理节点负责一个或几个区域中(包括区域内和与区域边界相交)的几何元素的绘制，各节点输出的子图像拼接为最终输出图像。几何元素在屏幕上的分布通常是不均匀的，因此绘制节点间容易出现工作负载的不平衡：一些节点处理大量密集的面片的绘制而处于忙碌状态，同时另一些节点分配到了少量稀疏的面片而处于空闲。由于整个系统的帧绘制的速度受最慢的节点的制约，负载不平衡将使系统的整体性能下降。

前分布拼接合成系统的已有的负载平衡方法分为静态和动态两类，静态方法将屏幕固定地剖分成一些小块矩形，将负载较重(位于中央)和负载较轻(位于边缘)的矩形搭配地分配给绘制节点。动态方法根据图形程序的运行情况实时改变屏幕剖分，Whelan的median-cut方法以图元的质心作为计算负载的单位，不断对每个区域的长边作剖分直至区域数等于绘制节点数；Whitman的自顶向下分解方法将每个图元的外包围盒与一精细的网格作比较，如果一格子被一图元覆盖，则将其权重加1，之后在图元格子之上构建Huffman树，再从树根向下访问直至经过的区域数为处理单元数的10倍，然后将这些负载基本相等的区域动态分配给各处理单元；MAHD(mesh-based adaptive hierarchicaldecomposition)同样使用一个精细的网格，但当一个图元覆盖N个格子时，每个格子的权重增加1/N，之后格子被组织成区域和表(summed area table)，再在区域和表上作区域的划分。

这些方法可以统称为“基于几何数据分析”的方法，它们共同的特点是以顶点位置、几何变换矩阵等几何数据作为输入计算负载平衡最佳的屏幕剖分。由于考虑了场景全局的几何信息，以上提到的各个方法都有很精确的平衡效果，比如Whelan方法的剖分线两侧的面片数相差不超过1。但是，执行这些方法需要较大的时间开销，其计算量的来源是：一、大量的几何数据的传输或遍历；二、耗时的操作，如Whelan方法中的排序，Whitman方法中的Haffman树构造，MAHD方法的区域和表构造和划分等。

一个负载平衡方法要用于实际，必须满足如下条件：其本身的开销小于使用该方法所得到的好处。以上的负载平衡方法本身的通讯和计算开销较大，使其实用性大受影响，如Whelan的median-cut方法虽广为引用，但没有在任何一个系统中得到应用，因为对实际系统来说，其计算开销是不可接受的。本发明得到了国家重点基础研究发展计划(2002CB312100)资助。

                           发明内容

本发明的目的是提供一种计算机集群并行绘制系统中基于时空变换的负载平衡设计方法。

其步骤为：

1)客户端发送几何变换矩阵和屏幕区域A_ik到绘制节点S_i，启动第k帧绘制，并通知负载平衡模块；

2)S_i完成A_ik像素的绘制，通知客户端；

3)客户端主程序通知负载平衡模块，后者记录绘制时间t_ik；

4)所有Si绘制结束，拼接图像并输出；

5)负载平衡模块进行计算，得出屏幕剖分方式{A_ik+1}，用做下一帧绘制任务分配。

本发明定义负载平衡程度的指标LB＝T_first/T_render，T_first，为首先完成绘制的节点的绘制一帧的时间，T_render为整个系统绘制一帧的总的时间。图3(a)-(d)显示了一些三维模型连续多帧垂直分割，在8PC集群机上绘制的时间曲线，(e)为对浙江大学新校区漫游程序在8PC集群机上绘制，使用二叉剖分的时间曲线，图4是与图3相对应的LB值曲线，表1列出了绘制时间和LB的平均值。

                             表格1绘制时间和LB的均值

	Bunny	horse	hand	dragon	Campus
						无负载平衡帧绘制时间s/frame	0.298	0.344	1.158	1.700	1.796
使用负载平衡的帧绘制时间s/frame	0.252	0.282	0.909	1.192	1.061
						负载平衡计算使用时间s/frame	0.017	0.023	0.024	0.028	0.046
无负载平衡LB	0.304	0.284	0.299	0.265	0.721
						负载平衡LB	0.650	0.679	0.911	0.911	0.950

从以上图表和数据可以看出：

应用本负载平衡方法可以有效地提高系统的负载平衡程度，使LB值升高，能提高绘制速度，并且计算开销很小，具有很好的实用价值。

                           附图说明

图1是计算机集群绘制系统的结构示意图；

图2(a)(b)(c)是垂直分割时空变换的基本原理图；

图3是本发明可加快绘制速度的数据示意图；

图4是本发明可提高负载平衡程度的数据示意图；

图5是本方法实施系统结构示意图；

图6是使用本方法的真实感场景漫游的一段连续画面示图；

图7是使用本方法的几何模型显示的一段连续场景示图。

                       具体实施方式

基于时空变换的负载平衡方法的原理是：以绘制服务器的工作时间作为其负载的度量，通过适当的方法，将时间值转换为空间值，再以空间值控制对绘制服务器的任务分配。由于放弃了庞大的几何数据，所以这种方法是一种相对“轻量”的方法，测试结果证明这种方法是非常实用和有效的。

图1显示了计算机集群绘制系统的结构。客户端模块响应应用程序的命令，对应用程序透明地驱动多台绘制服务器(也称绘制节点)进行并行绘制，绘制服务器输出象素经拼接输出到显示设备。基于时空变换的负载平衡方法的流程为：

1)客户端发送几何变换矩阵和屏幕区域A_ik到绘制节点S_i，启动第k帧绘制，并通知负载平衡模块；

2)S_i完成A_ik像素的绘制，通知客户端；

3)客户端主程序通知负载平衡模块，后者记录绘制时间t_ik；

4)所有Si绘制结束，拼接图像并输出；

5)负载平衡模块进行计算，得出屏幕剖分方式{A_ik+i}，用做下一帧绘制任务分配。

基于时空转换地负载平衡方法的要点是：

1)以绘制时间作为绘制节点负载的指标；

2)将时间值转化为空间值；

3)进行屏幕区域的分割和重组。其基本原理可简化为图2所示，假定初始剖分状态如图2(a)，三个绘制节点的绘制时间分别为1秒、2秒、3秒，认为它们负载之比为1∶2∶3，对区域做分割如图2(b)，最后按任务平均分配的原则进行重组得到图2(c)。

屏幕分割的办法有三种：垂直分割、水平分割和二叉分割，设有n个绘制节点，各绘制节点某一帧的绘制时间为{t₁，t₂，t₃，....t_n}，垂直分割区域宽度为{w₁，w₂，w₃，....w_n}，另 $\stackrel{\‾}{t}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i$ ，(p₀，p₁，...p_n)，其中 $p_i=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{t}_j,p_0=0,$ i t∈[p_a，p_a+1]，(a∈[0，n-1])，w₀′＝0，h₀′＝0，新的屏幕分割的宽度为： ${w_i}^{\′}=(i\stackrel{\‾}{t}-p_a)\frac{w_{a+1}}{t_{a+1}}+\underset{j=1}{\overset{a}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j-\underset{k=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{w_{i-1}}^{\′}$ 。

水平分割办法与垂直分割相同。二叉分割的时空转换方法的基本操作是n＝2的垂直或水平分割时空转换，客户端拥有时间二叉树，树的叶子是时间值{t_i}，父结点的权(时间值)是子结点权的和，通过先序遍历二叉树，自顶向下交替地对区域进行垂直和水平的分割直至区域数等于节点数即可。

图5为本方法实施示意图，负载平衡工作于客户端，通过计算机网络对绘制节点进行控制。图6是真实感场景漫游的一段连续画面，区域A1、A2、A3、A4分别由4个绘制节点生成，表2列出了各个节点的绘制时间。图7是几何模型显示的一段连续场景，4个矩形区域的象素分别由4个绘制节点生成，图上还显示了每个节点这一帧的绘制时间(单位为秒)。从图6、7和表2可清楚地看出本方法如何根据绘制时间不断地对负载平衡作出调节。

                        表格2  图5各帧各节点绘制时间

	(a)	(b)	(c)	(d)	(e)	(f)
							A1(秒)	0.583	0.715	1.116	1.427	2.955	1.662
A2(秒)	0.902	0.972	0.878	1.847	2.167	1.865
							A3(秒)	0.936	0.999	1.142	1.472	2.191	1.889
A4(秒)	0.967	1.228	1.169	1.900	2.614	1.913

Claims (7)

1.一种计算机集群并行绘制系统中基于时空变换的负载平衡设计方法，其特征在于：其步骤为：

1)客户端发送几何变换矩阵和屏幕区域A_ik到绘制节点S_i，启动第k帧绘制，并通知负载平衡模块；

2)S_i完成A_ik像素的绘制，通知客户端；

3)客户端主程序通知负载平衡模块，后者记录绘制时间t_ik；

4)所有Si绘制结束，拼接图像并输出；

5)负载平衡模块进行计算，得出屏幕剖分方式{A_ik+1}，用做下一帧绘制任务分配。

2.根据权利要求1所述的一种计算机集群并行绘制系统中基于时空变换的负载平衡设计方法，其特征在于所说的负载平衡模块对下一帧屏幕剖分方式{A_ik+1}的计算，具体有垂直分割、水平分割和二叉分割三种方法。

3.根据权利要求1所述的一种计算机集群并行绘制系统中基于时空变换的负载平衡设计方法，其特征在于所说垂直分割方法是：设有n个绘制节点，各绘制节点某一帧的绘制时间为{t₁，t₂，t₃，….t_n}，垂直分割区域宽度为{w₁，w₂，w₃，….w_n}另 $\stackrel{\‾}{t}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i$ ，(p₀，p₁，…p_n)，其中 $p_i=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{t}_j,p_0=0$ ，i t∈[p_a，p_a+1]，(a∈[0，n-1])，w₀′＝0，h₀′＝0，新的屏幕分割的宽度为： ${w_i}^{\′}=(i\stackrel{\‾}{t}-p_a)\frac{w_{a+1}}{t_{a+1}}+\underset{j=1}{\overset{a}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j-\underset{k=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{w_{i-1}}^{\′}$ 。

4.根据权利要求1所述的一种计算机集群并行绘制系统中基于时空变换的负载平衡设计方法，其特征在于所说水平分割方法是：设有n个绘制节点，各绘制节点某一帧的绘制时间为{t₁，t₂，t₃，….t_n}，水平分割区域高度为{w₁，w₂，w₃，....w_n}，另 $\stackrel{\‾}{t}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i$ ，(p₀，p₁，…p_n)，其中 $p_i=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{t}_j,p_0=0,$ i t∈[p_a，p_a+1]，(a∈[0，n-1])，w₀′＝0，h₀′＝0，新的屏幕分割的高度为： ${w_i}^{\′}=(i\stackrel{\‾}{t}-p_a)\frac{w_{a+1}}{t_{a+1}}+\underset{j=1}{\overset{a}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j-\underset{k=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{w_{i-1}}^{\′}$ 。

5.根据权利要求1所述的一种计算机集群并行绘制系统中基于时空变换的负载平衡设计方法，其特征在于所说分二叉割方法是：二叉分割的时空转换方法的基本操作是n＝2的垂直或水平分割时空转换，客户端拥有时间二叉树，树的叶子是时间值{t_i}，父结点的权(时间值)是子结点权的和，通过先序遍历二叉树，自顶向下交替地对区域进行垂直和水平的分割直至区域数等于节点数。

6.根据权利要求1所述的一种计算机集群并行绘制系统中基于时空变换的负载平衡设计方法，其特征在于所说的客户端发送几何变换矩阵和屏幕区域A_ik到绘制节点S_i，启动第k帧绘制，并通知负载平衡模块是：负载平衡模块接受到启动绘制的通知后，开启时钟，开始记录绘制节点的绘制时间。

7.根据权利要求1所述的一种计算机集群并行绘制系统中基于时空变换的负载平衡设计方法，其特征在于所说的客户端主程序通知负载平衡模块，后者记录绘制时间t_i是：负载平衡模块停止时钟，获得绘制节点的绘制时间。