基于GPU编程的漫游系统实时优化技术研究

论文摘要

随着计算机技术的飞速发展,三维漫游系统已经广泛的应用于仿真、教育、游戏等领域。随着人们对三维漫游系统的视觉效果和可交互性的要求越来越高,单纯的CPU处理模式已经很难维持漫游系统的实时性。而近些年来,可编程GPU的高速发展使很多学者开始研究如何利用GPU灵活的编程能力来对漫游系统中的视觉效果和可交互性进行优化,从而提高漫游系统的总体效率。本文首先对目前三维漫游系统和可编程GPU的研究现状进行了阐述,然后对可编程GPU的产生、发展、特点、组成做了详细的介绍。针对可编程GPU对三维漫游系统的优化,重点研究了以下问题：1.利用可编程GPU对漫游系统中湖面场景的视觉效果进行优化,建立适合GPU计算的湖面模型,设计湖面波动的数学模型,研究如何对湖面进行光照颜色的计算,并获得湖面的反射纹理,在像素处理阶段实现反射纹理的扰动映射；2.利用可编程GPU对漫游系统中的大规模草地场景的视觉效果进行优化,分析草地的几何特点,建立运算简单而又能保证草地茂盛效果的草体模型,并针对草体随风摆动的视觉效果设计出相应的数学模型,生成高效、逼真的草地；3.利用可编程GPU对漫游系统中常见的粒子系统算法进行优化,以喷泉效果为例,分析喷泉粒子运动的物理特性,提取出适合GPU运算的部分由GPU进行加速,并设计合理绘制程序来提高整个粒子系统的运算效率；4.利用可编程GPU对漫游系统中常见的碰撞检测算法进行优化,对漫游系统中的物体进行合理的分类,提取出可并行计算的部分由GPU来处理,并与CPU合作,使碰撞检测算法达到最佳的处理效率。本文结合东北石油大学漫游系统,利用可编程GPU进行优化,改善了漫游系统的视觉效果,并提高了漫游系统中非绘制问题的运算效率,取得了良好的实验效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 三维漫游系统研究现状
• 1.2.2 GPU研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容和结构
• 1.4 本章小结
• 第二章 可编程GPU与渲染技术
• 2.1 GPU的产生与发展
• 2.2 GPU的特点
• 2.3 GPU渲染管道介绍
• 2.3.1 固定渲染管道
• 2.3.2 可编程渲染管道
• 2.4 可编程GPU的结构
• 2.4.1 顶点着色器
• 2.4.2 像素着色器
• 2.5 GPU通用计算技术
• 2.5.1 GPU数据的存储
• 2.5.2 GPU程序的运行方式
• 2.5.3 GPU计算结果的获取
• 2.5.4 GPU通用计算的实现方法
• 2.5.5 GPU通用计算的不足
• 2.6 Shader语言简介
• 2.7 本章小结
• 第三章 基于可编程GPU的特效生成
• 3.1 可编程GPU生成的湖面特效
• 3.1.1 传统湖面特效的生成方法
• 3.1.2 湖面特效实现的主要思想
• 3.1.3 湖面波浪的生成
• 3.1.4 湖面光照效果
• 3.1.5 湖面的反射
• 3.1.6 湖面的效果与结论
• 3.2 可编程GPU生成的草地效果
• 3.2.1 草体的建模
• 3.2.2 草体波动的特效生成
• 3.2.3 大规模草地的效果与结论
• 3.3 本章小结
• 第四章 可编程GPU加速的交互运算
• 4.1 可编程GPU加速的喷泉特效
• 4.1.1 粒子系统
• 4.1.2 GPU下喷泉粒子的数据组织
• 4.1.3 喷泉粒子状态的判定
• 4.1.4 喷泉粒子属性的计算
• 4.1.5 喷泉的绘制
• 4.1.6 喷泉效果与结论
• 4.2 可编程GPU加速的碰撞检测
• 4.2.1 包围盒的建立与更新
• 4.2.2 对不可能相交物体的快速剔除
• 4.2.3 包围盒之间的初步碰撞检测
• 4.2.4 精确的三维模型碰撞检测
• 4.2.5 实验结果与结论
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 详细摘要