基于GPU三维纹理映射体绘制的方法研究

摘要

体绘制是计算机三维可视化的重要技术之一。体绘制采用直接处理、整体合成的方式,绘制出含有多种信息的高品质的三维图像,适宜于人们对体数据进行全面综合的观察和分析。目前,在PC平台上基于CPU的体绘制技术基本可以胜任较大规模的体数据的实时绘制,但对于超大规模的体数据以及需要频繁交互的场合,CPU的串行数据处理方式极大地限制了体绘制的效率。
　　近年来,随着计算机图形硬件的高速发展,特别是图形处理单元GPU(GraphicProcessingUnit)技术性能的突破和功能的扩展,为体绘制提供了一种基于GPU编程实现的新技术途径。
　　本论文在研究GPU可编程功能管线的基础上,探讨了基于OpenGL纹理映射的经典GPGPU技术,并将该技术应用于三维纹理映射体绘制中,实现了基于GPU三维纹理映射的体绘制。论文围绕体绘制中明暗处理问题,分别提出了基于GPU的半透明明暗处理算法和基于GPU的Phong光照明暗处理算法,提高了体绘制明暗处理的速度和效率。本论文的主要研究内容包括:
　　1.围绕GPU通用计算技术,重点研究了基于OpenGL纹理映射的经典GPGPU技术,并将几种常见的串行算法利用此技术并行实现,通过实验结果验证了经典GPGPU技术的并行优势。
　　2.研究并实现了三维纹理映射体绘制的整个流程,针对体绘制的明暗处理问题,重点探讨了基于CPU软件优化的窗口变换加速算法和Phong光照加速算法,得出两种加速算法的实际绘制效果图和有关实验数据。
　　3.研究了一种基于GPU三维纹理映射的体绘制方法,设计并实现了基于GPU三维纹理映射的体绘制整个流程。针对体绘制明暗处理的并行性特点,分别提出了基于GPU的半透明明暗处理算法和基于GPU的Phong光照明暗处理算法。应用经典GPGPU技术,将体数据、梯度值映射到显卡的纹理缓存中,在片段着色器中利用多线程并行处理的方式,实现窗口变换算法和Phong光照算法,大大提高了体绘制明暗处理的速度和效率。

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第1章 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 国内外的研究现状和发展趋势

1.3 论文的主要内容和组织结构

第2章 基于GPU的通用计算方法研究

2.1 引言

2.2 GPU概述

2.3 GPU通用计算技术

2.4 GPU通用计算技术程序范例

2.5 本章小结

第3章 三维纹理映射体绘制研究

3.1 引言

3.2 体绘制光线吸收与发射模型

3.3 三维纹理映射体绘制流程

3.4 具有半透明效果的体绘制加速算法

3.5 具有Phong光照效果的体绘制加速算法

3.6本章小结

第4章 基于GPU三维纹理映射体绘制的方法研究

4.1 引言

4.2 基于GPU的三维纹理映射体绘制流程

4.3 基于GPU的半透明明暗处理算法

4.4 基于GPU的Phong光照明暗处理算法

4.5 基于GPU三维纹理映射体绘制的进一步设想

4.6 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 论文工作总结

5.2 研究工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢