3D实时渲染的并行方法研究

摘要

在虚拟现实和游戏引擎的研究中，渲染是呈现绚丽多彩图形效果的一项最重要技术。渲染的性能问题，一直随着应用场景的规模复杂性变大越显突出，面对许多场景复杂的海量数据往往需要选择高性能的算法进行计算，因此，无论是大规模集群系统、个人计算机，还是智能移动设备，提高渲染的并行计算效率将具有非常重要的理论研究意义和实际应用价值。
　　如今，伴随着GPU的高速发展，以GPU为协处理器的通用并行计算解决方案突显优越，如CUDA和OpenCL，使GPU充分发挥其强大的多核计算能力和异构并行计算能力，可以快速解决大规模复杂性问题。针对渲染管线的并行处理模式，GPU硬件结构特点越来越贴合异构的计算架构，解决复杂场景计算实时交互的渲染已不成问题。所以我们可以充分利用GPU上执行并行算法的计算方式，计算更加复杂的数据，以通过其超强的并行计算能力快速得到计算结果。OpenCL具有良好异构并行编程环境和可移植性，十分符合渲染的并行方法进行程序设计。于是，本文就提出了一个利用OpenCL异构并行技术提高渲染算法运行效率的研究课题。
　　针对以上问题和方法，本文首先在详细了解实时渲染、并行计算方法以及高性能并行计算技术发展的基础上，对3D实时渲染和异构并行技术的基本原理进行了研究。并介绍了一种快速模拟光照效果的渲染方法，即光子映射方法，在此基础上提出了一种基于OpenCL异构并行计算实现光照渲染的实时光子映射方法，通过对其各个步骤的并行分析及并行化实现，实验结果验证了该方法的有效性和实时性。另外，在此方法的基础上，结合分行几何元素生成算法的可并行性特征，提出了一种基于游戏引擎的分形图生成与渲染的并行方法。并依据异构计算对光子映射纹理的执行模式，以及计算节点的任务分配策略，分别对渲染管线的控制流指令方法进行并行化改进。本文最后通过大量的实验测试，对实验结果进行了数据对比和性能分析，验证了方法的高效性和正确性。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究内容

1.4 本文的组织结构

2 实时渲染和异构并行计算技术研究

2.1 引言

2.2 渲染相关概念

2.3 全局光照技术

2.4 可编程渲染流水线

2.5 异构并行计算技术

2.6 本章小结

3 一种基于OpenCL的3D实时光照渲染并行方法研究

3.1 引言

3.2 3D实时光照渲染算法

3.3 3D实时光照渲染算法的实现

3.4 光子映射的并行实现

3.5 实验结果与分析

3.6 本章小结

4 一种分形图生成与渲染的并行方法研究

4.1 引言

4.2 分形生成算法

4.3 分形图生成与渲染并行化的实现流程

4.4 分形纹理的渲染

4.5 分形纹理渲染的并行实现

4.6 实验结果与分析

4.7 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及科研成果

致谢