基于GPU的实时水下场景渲染并行算法研究

摘要

现代计算机技术的发展大大促进了计算机图形学的发展，尤其是虚拟现实技术，使其广泛应用到社会的各个领域，直接改变了人们观察和认识这个世界的方式。二十一世纪是海洋的世纪，中国又是个海洋大国，海洋技术在国民经济中起着非常重要的作用。因此，海洋虚拟环境的模拟变得十分紧迫，这打开了人们认识海洋的又一个窗口。
　　 近年来，图形处理器(GPU)以前所未有的速度迅猛发展，大有赶超并取代CPU之势，其应用范围已经不仅仅只是图形渲染，而是开始涉足通用计算领域。特别是当NVIDIA公司推出面向通用计算的CUDA并行计算平台之后，GPU以其超多核心的优势，能够快速解决十分复杂的问题，成为高性能计算领域迅速崛起的一个新星。对于图形渲染方面，以前由于复杂场景计算导致的实时交互难的问题也有望得到解决，我们可以把复杂的数据计算部分交给GPU，利用其强大的并行计算能力快速地得到结果。
　　 本文研究的主要是水体的真实感渲染，水下场景光学效果的渲染包括对水下光束，光斑和水中物体阴影等的渲染。本文首先介绍了一种实时渲染水下光束的一种经济且令人信服的方法，首先对水下场景建模，然后模拟水面运动，最后渲染光照体。接着运用水下光照的真正物理模型来进行渲染，可以得到更加真实的图形效果，但光照的计算十分复杂，因此拖慢了整体的渲染速度。因此本文采用GPU并行模型来计算各顶点的光强，从而大大减少了CPU的计算量，提高了水下场景渲染的速度，使得渲染效果在更加真实的情况下不失流畅。实验结果证明本文所提出的方法在速度和真实感上都取得了比较满意的效果。
　　 本文首先介绍了课题研究的背景，涉及到的关键技术，并介绍了一种快速模拟水下光学效果的方法，然后介绍了改进的用CUDA并行架构计算光强的方法，给出了光束、光斑等的绘制方法，并对比了实验结果，最后是对本课题的总结与展望。
　　 当前水下场景的渲染得到了比较好的效果，在以后的工作中，可以加入洋流的流动来模拟海洋环境，并研究海洋陆地一体化的实现，充分利用GPU的功能使绘制的水下场景光学效果更加真实，自然。