论文题目: 基于可编程图形硬件加速的若干技术研究
论文类型: 硕士论文
论文专业: 计算机应用技术
作者: 董朝
导师: 彭群生,陈为
关键词: 可编程图形硬件,体素化,实时绘制,点绘制,阴影
文献来源: 浙江大学
发表年度: 2005
论文摘要: 目前图形硬件中的图形处理器(GPU)计算能力的增长速度已经超过了中央处理器(CPU)计算能力的增长速度，主流图形硬件制造商声称，现在每隔12个月GPU的性能就会增长一倍。图形硬件技术一个最主要的突破就是在图形硬件中引入了可编程功能，此功能允许用户编制自定义的着色器程序(Shader program)来替换原来固定流水线中的某些功能模块，使得GPU在功能上更像一个通用处理器。虽然GPU具有非常高的计算速度，但并不能直接将以前在CPU中实现的算法照搬到GPU中来执行，这是因为GPU的指令执行方式和CPU不一样，GPU的体系结构是一种高度并行的单指令多数据(SIMD)指令执行体系。所以要基于可编程图形硬件实现一些在CPU中效率较低的算法，就必须重新组织算法实现的数据结构和步骤，以充分利用GPU并行处理体系结构带来的性能优势。本文中的几种算法都基于可编程图形硬件实现，在达到实时效率的同时保证了结果的质量。 本文中的研究工作主要包括以下几个方面： 1．实时体素化及其应用 提出了一种面向复杂几何模型的高效体素化方法。算法首先将几何模型依据各面片的朝向将它们分别变换到三个离散的体空间，然后将每个体空间中生成的体素以二维纹理的方式存储在三张工作表格(worksheet)中，三张工作表格最终合并成为一张包含全部体模型数据的工作表格。算法整个运行过程中只需要遍历初始几何模型一次。由于整个运行过程全部在GPU中实现，对于两百万面片数的几何模型算法能够达到实时。该算法实现简单并且易于扩展到体建模、透明绘制、碰撞检测等许多具体应用中。 2．大尺寸点模型实时高质量绘制 提出了一种大尺寸点模型的自适应绘制算法。该算法在预处理阶段首先将点模型分割为很多点片，建立每一个点片的层次结构并以线性二叉树的方式保存；在接下来的绘制过程中对点模型分片进行处理，通过快速的可见性测试剔除掉不可见的点片，可见的点片则会依据距离视点的远近选取合适的绘制模式在GPU中实时绘制。算法不仅充分发挥了GPU的性能并且有效地均衡了GPU和CPU之间的负载。为解决大尺寸模型数据量过大的问题，我们还提出了一种快速的压缩／解压缩技术，可以将显存中的绘制数据压缩8倍以上。基于以上算法，可以在普通PC平台上实现百万数量级浙江大学硕士学位论文摘要点采样模型的实时高质量绘制。3.实时阴影映射 阴影映射是一种基于图像空间的阴影绘制算法。该算法基于图形硬件提供的纹理(t exture)和深度缓存(dePth buffer)等技术实现，依靠GPU加速可以达到很高的绘制效率。文中会详细介绍两种实时阴影映射的实现方法:普通基于GPU实现的阴影映射和硬件阴影映射。 在本文的最后，作者总结了自己关于可编程图形硬件技术的一些经验和体会，并提出了一些未来的研究方向。关键词:GPU;可编程图形硬件;体素化;实时绘制;点绘制;阴影若
论文目录:
摘要
ABSTRACT
第一章 可编程图形硬件技术综述
1.1 可编程图形硬件的发展
1.2 可编程图形流水线功能介绍
1.2.1 顶点着色器
1.2.2 像素着色器
1.2.2.1 纹理采样
1.2.2.2 象素级运算
1.3 可编程图形流水线的软件开发技术
1.3.1 高级绘制语言及实时绘制语言
1.3.2 流处理机编程环境及工具
1.4 本文工作的主要研究工作介绍及章节安排
参考文献
第二章 实时体素化及其应用
2.1 已有的体素化工作介绍
2.2 实时体素化算法原理
2.2.1 算法核心思想
2.2.2 体素编码和寻址
2.2.3 实体体素化
2.3 图形硬件实现细节
2.3.1 动态更新索引缓存
2.3.2 查找表纹理
2.3.3 生成体模型的二维纹理表示
2.3.4 负载平衡
2.4 算法扩展与应用
2.4.1 其他输入形式数据的体素化
2.4.2 透明绘制
2.4.3 碰撞检测
2.5 实验结果及性能比较
2.5.1 性能
2.5.2 质量
2.5.3 比较
2.6 结论和未来工作
参考文献
第三章 高质量大尺寸点模型实时绘制算法
3.1 点绘制相关工作介绍
3.2 自适应绘制算法及其分析
3.2.1 自适应算法总体框架
3.2.2 点模型的预处理分片
3.2.3 自适应反走样点绘制策略
3.2.3.1 椭圆加权滤波
3.2.3.2 白适应椭圆加权滤波
3.3 自适应绘制算法的具体实现
3.3.1 算法实现细节
3.3.1.1 视域裁减和背面剔除
3.3.1.2 细节层次的选取
3.3.1.3 绘制模式的选择
3.3.2 大尺寸点模型几何数据的压缩
3.3.2.1 点云位置量化压缩
3.3.2.2 参数化法向压缩
3.3.2.3 切向压缩
3.3.2.4 基于查找表的纹理坐标压缩
3.3.2.5 半径几何查找表
3.4 实验结果及分析
3.4.1 绘制效率
3.4.2 绘制质量
3.5 结论和未来工作
参考文献
第四章 实时阴影映射
4.1 阴影映射原理
4.2 实时阴影映射的实现
4.2.1 实现步骤
4.2.2 实现过程中存在的问题
4.3 硬件阴影映射实现
4.4 实验结果和讨论
参考文献
第五章 总结与未来工作
5.1 工作总结和体会
5.2 未来工作
致谢
攻读硕士学位期间发表论文情况
发布时间: 2005-03-24
参考文献
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