D3DPR：支持Direct3D9应用程序透明并行绘制系统的研究与实现

摘要

随着科学计算、巨型几何场景绘制以及虚拟现实领域绘制数据规模不断增大，对计算机图形系统绘制速度和真实感两方面的绘制能力提出更严竣的挑战，也对图形的分辨率和细节显示技术提出更高要求。为解决这一难题，基于图形集群硬件平台构建并行强形绘制系统来驱动多屏拼接鬟示墙技术已成为计算机图形学领域热门研究课题。以往并行图形绘制领域出现的均是支持OpenGL，的并行绘制系统，而支持Direct3D的并行图形绘制系统研究还基本处于空白。随着Direct3D的迅猛发展和计算机图形系统对提高并行绘制技术的迫切需求，支持Direct3D的并行图形绘制系统研究亟待解决。 本文在系统研究Direct3D9图形库特征(包括基于组件对象模型绘制接口，基于多流场景组织模式和系统内存、AGP内存、图形卡内存三种存储方式)的基础上，首次创新性地提出基于图形集群支持Direct3D9应用程序透明并行化的技术，亦即单机Direct3D9应用程序不需要任何修改实时转换为图形集群并行绘制。完成一个支持Direct3D9应用程序透明并行化的并行图形绘制系统D3DPR,主要创新内容如下： 1．提出D3DPR系统的绘制资源定义和透明并行化策略。D3DPR系统的绘制资源定义为Direct3D9应用程序使用的所有顶点缓冲器的顶点流、索引缓冲器的索引流、纹理内存的纹理流、顶点着色器、像素着色器和应用程序调用绘制接口方法形成的命令流,它们完整描述Direct3D9应用程序的场景数据和绘制状态信息。D3DPR系统通过绘制资源截取和绘制资源重构技术实现Direct3D9应用程序透明并行化。 2．提出D3DPR系统的逻辑结构和实现结构。D3DPR系统的逻辑结构将图形集群划分为资源分配和资源绘制两类节点，资源分配节点包括绘制资源截取、绘制资源分布和绘制资源发送功能模块；资源绘制节点包括绘制资源接受、绘制资源重构、绘制任务分布、绘制接口方法执行以及几何和色彩校正功能模块。D3DPR系统的实现结构研究逻辑结构中各个功能模块的实现原理和技术。资源分配节点通过DPGL并行图形库将Direct3D9应用程序转换为绘制资源和描述信息；资源绘制节点根据接受的绘制资源和描述信息不断地重构出COM的绘制接日方法；系统通过MPI组内广播集合通信方式实现网络传输；结合共享内存映射文件技术和消息机制以及MPI的阻塞函数实现系统同步；系统通过重新映射技术集成几何和色彩校正结果数据。 3．提出基于多流场景数据组织模式的任务分布策略。它本质上是根据多屏拼接显示墙屏幕空间的固定划分，将表示顶点缓冲器和索引缓冲器绘制接口的多流模式场景数据进行重新分布。重点研究绘制任务分布策略架构的三个关键步骤：顶点缓冲器和索引缓冲器解析、索引缓冲器拆分以及新索引缓冲器和顶点缓冲器匹配。 4．提出支持Shader 的Direct3D9)应用程序透明并行化技术，使D3DPR充分集成图形集群各个节点的GPU可编程功能。Shader使用绘制效果Effects框架，实现技术包括扩展绘制资源、并行绘制过程、Shader的截取与重构以及寄存器输入截取与重构。 最后，通过测试用例对D3DPR系统进行整体测试与分析。实验证明，D3DPR系统基于图形集群可以很好地实现支持固定流水线和支持Shader的Direct3D9应用程序透明并行化，实现大屏幕多屏拼接显示，同时绘制效率得到很大程度提高。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

第1章绪论

1.1并行图形绘制系统引言

1.2并行图形绘制系统分类

1.2.1按照场景数据归属判断时机分类

1.2.2按照场景数据存储模式分类

1.3基于图形集群并行图形绘制系统的模型

1.3.1 Client-Server和Master-Slave模型

1.3.2 Data-Stage模型

1.4并行图形绘制系统研究问题

1.4.1任务分布

1.4.2负载平衡

1.4.3 图像合成

1.5基于图形集群并行图形绘制系统

1.5.1 WireGL和Chromium

1.5.2 Scalable Display Wall

1.5.3 Flow VR、FLowVR Render和VTK Flow VR

1.5.4AnyGL、MSPR和Parallel-SG

1.5.5其它代表系统

1.6本文的研究目标

1.7本文的研究内容与组织结构

第2章Direct3D9图形库特征研究

2.1 Direct3D基础

2.1.1历史起源

2.1.2发展过程

2.1.3发展趋势

2.2 Direct3D9图形流水线及其并行性

2.2.1Direct3D9图形流水线

2.2.2 Direct3D9图形流水线的内在并行性

2.2.3 Direct3D9图形流水线基于图形集群的并行性

2.3 Direct3D9基于组件对象模型绘制接口研究

2.3.1基于组件对象模型绘制接口

2.3.2绘制接口调用关系

2.3.3绘制接口方法分类

2.4 Direct3D9基于多流场景组织模式和存储方式研究

2.4.1场景组织模式发展

2.4.2图元格式

2.4.3多流场景组织模式相关概念定义

2.4.4数据流格式

2.4.5图元装配

2.4.6存储方式

2.5本章小结

第3章D3DPR透明并行化策略和系统逻辑结构

3.1单机Direct3D9应用程序执行流程

3.2透明并行化策略

3.2.1绘制资源

3.2.2透明并行化策略

3.3 D3DPR系统逻辑结构

3.3.1资源分配节点

3.3.2资源绘制节点

3.4本章小节

第4章D3DPR实现原理与技术

4.1 D3DPR系统实现结构

4.2资源分配节点

4.2.1应用程序结构框架

4.2.2 DPGL并行图形库

4.3资源绘制节点

4.3.1实现原理

4.3.2实现技术

4.4网络传输和系统同步

4.4.1 MPI基础

4.4.2网络传输

4.4.3系统同步

4.5几何和色彩校正

4.5.1几何校正

4.5.2色彩校正

4.5.3系统集成

4.6本章小结

第5章基于多流场景数据组织模式的任务分布

5.1 sort-first体系结构系统的任务分布

5.2立即模式和保留模式系统的任务分布

5.3冗余存储与分布存储系统的任务分布

5.4 D3DPR系统绘制任务分布限制条件

5.4.1多屏拼接显示墙

5.4.2系统逻辑以及实现结构

5.4.3基于多流场景数据组织模式

5.5 D3DPR系统绘制任务分布策略

5.5.1绘制任务分布策略架构

5.5.2顶点缓冲器和索引缓冲器解析

5.5.3索引缓冲器拆分

5.5.4新索引缓冲器与顶点缓冲器匹配

5.6本章小结

第6章支持Shader的透明并行化研究

6.1图形处理器发展

6.2可编程图形处理器体系结构

6.3着色器

6.3.1顶点着色器

6.3.2像素着色器

6.4着色器编程

6.4.1 HLSL语言

6.4.2顶点着色器

6.4.3像素着色器

6.4.4 Effects框架

6.5支持Shader的透明并行化

6.5.1支持Shader的Direct3D9应用程序执行流程

6.5.2实现技术

6.6本章小结

第7章D3DPR系统整体测试与分析

7.1硬件测试环境

7.2测试用例

7.3测试结果与分析

7.3.1支持固定流水线的应用程序

7.3.2支持Shader的应用程序

7.4本章小结

第8章总结与展望

8.1总结

8.2展望

参考文献

攻读博士学位期间的发表论文和参与项目

致谢