图形硬件加速的实时体绘制关键技术研究

摘要

三维体数据的体绘制是科学计算可视化领域最重要、发展最迅速的一项技术。它是在吸收计算机图形学、计算机视觉和计算机图像处理等学科有关知识的基础上发展起来的,在医学三维重建、计算流体力学、有限元后处理、地震地质勘探等众多领域得到了广泛应用。体绘制技术无需构造中间几何图元,直接将三维体数据映射到二维的成像平面上产生最终绘制结果,具有能够半透明显示体数据的不同区域和内部细节的优势。但由于体绘制需要处理的数据量十分庞大,生成图像的算法又比较复杂,相比其他算法如面绘制其具有计算量大、处理时间长的固有缺陷,在普通PC机上对于中等大小的体数据也很难达到实时交互绘制的效果,因而常常需要使用价格昂贵的高端图形工作站或专用硬件来实现。近年来,计算机硬件的飞速发展,特别是图形硬件的计算性能和可编程性的不断提高,为实现实时体绘制技术提供了硬件上的支持。
　　 本文主要研究的内容是开发能够利用最新GPU的高速并行计算能力的体绘制快速算法,最终目标是在价格低廉的PC机平台上实现高质量实时体绘制系统。本文分为如下三个部分:
　　 第一部分首先介绍了体绘制的数据模型和光照模型,分析了体绘制流程中各个步骤可能给GPU实现带来的影响,为后续GPU体绘制算法和优化算法的实现奠定了基础。接下来介绍了体绘制技术的几种常见算法,阐述了其算法原理和计算复杂度,分析了它们在绘制质量和性能上的差异,并确定光线投射加速算法为最终的研究方向。
　　 第二部分研究了GPU在硬件结构上的特点,重点说明了可编程渲染管线的结构和工作模式,对在GPU上完成通用计算的方法进行了全面的介绍。
　　 第三部分研究了在GPU上实现的体绘制快速算法。首先分析了早期使用的纹理切片体绘制的不足之处,然后实现了一种单遍绘制的GPU光线投射算法。接下来在这个算法的基础上引入八叉树包围盒技术,使得绘制性能大大提高。此外,还研究了GPU着色语言代码优化和使用高精度深度值提高绘制精度问题,进一步改善了GPU体绘制的性能和质量。
　　 实验表明本文提出并实现的体绘制快速算法能够在普通PC机上对中等规模体数据进行高质量实时体绘制。