77360

Параллельный рендеринг воксельной графики

Научная статья

Информатика, кибернетика и программирование

В данной статье описывается разработка средств распараллеливание воксельной графики используемой для представления больших объемов данных получаемых в результате компьютерного моделирования сложных процессов. Обычно данных представляются в виде 3х мерного массива. Затем вычисляется ближайшая точка пересечения этого луча с областью данных параллелограммом. После этого алгоритм движется по трёхмерному массиву данных с шагом в одну ячейку до попадания в не пустую точку.

Русский

2015-02-02

27.5 KB

2 чел.

Параллельный рендеринг
воксельной графики

И.О. Михайлов

Институт математики и механики УрО РАН, УрФУ

В данной статье описывается разработка средств распараллеливание воксельной графики, используемой для представления больших объемов данных, получаемых в результате компьютерного моделирования сложных процессов.

В самом общем случае воксельная графика предусматривает хранение объекта в виде набора(облака) точек. Обычно данных представляются в виде 3-х мерного массива. Одним из основных преимуществом воксельной графики по сравнению с полигональной является возможность продемонстрировать внутреннюю структуру объекта. А основным недостатком высокие требования по памяти и малое распространение специализированных аппаратных средств для расчёта графики.

Базовым алгоритмом рендеринга использованным в работе является трассировка лучей (точнее Ray casting). Этот алгоритм заключается в следующем из каждой точке изображения строится луч. Затем вычисляется ближайшая точка пересечения этого луча с областью данных(параллелограммом). После этого алгоритм движется по трёхмерному массиву данных с шагом в одну ячейку, до попадания в не пустую точку. Основным преимуществом данного метода является большие возможности распараллеливания (вплоть до каждой точки изображения), а основным недостатком большая вычислительная сложность.

Для корректного отображения данных с полупрозрачными ячейками необходимо модифицировать данный алгоритм. Вычисляется дальняя точка пересечения луча с областью данных, и движение по трёхмерному массиву осуществляется в обратном направлении.

В данной работе используются плотные октодеревевьев в виде набора 3х-мерных массивов. Первый из них в 8 раз меньше массив исходных данных, каждый последующий в 8 раз меньше предыдущего. В каждом элементе массива хранится количество не пустых ячеек в соответствующей области основного массива (с данными). Это даёт возможность быстро пропускать пустые участки при трассировке лучей. Этот подход даёт те же преимущества что и разряженные октодеревья, кроме экономии памяти, однако значительно упрощает доступ к отдельным вокселям и их модификацию. Алгоритм прямого хода эффективен за счёт пропуска уже заполненных точек, но не поддерживает прозрачность. Для корректного отображения полупрозрачных данных необходимо использовать алгоритм обратного хода.

Первые результаты были получены на многоядерном персональном компьютере. При этом использовалась технология OpenMP, для параллельного рендеринга точек изображения. Область данных была общая для всех потоков.

Область данных представляет собой 3-х мерный массив из 4-байтовых целых чисел, в котором ненулевые ячейки задают объект, а нулевые считаются пустыми. Не нулевые ячейки содержат информацию о цвете и прозрачности точек объекта. Возможно расширения до 8-байтовых целых чисел, для хранения вспомогательной информации. В текущей реализации используются кубические массивы со стороной равной степени двойки (от 128 до 512). Для ускорения работы строится набор вспомогательных массивов, хранящих информацию о группах пустых ячеек для быстрого их пропуска. Затем эксперименты были перенесены на суперкомпьютер Уран ИММ УрО РАН, где для реализации использовалась библиотека MPI. При этом узлы были разделены на несколько групп. Области данных внутри одной группы дублировались. Сперва производился независимый рендеринг изображений в каждой группе, а затем полученные изображения совмещались в одно с учётом буфера глубины.

Благодаря тому, что окончательное изображение получает сложением вспомогательных с учётом буфера глубины, есть возможность использовать алгоритмы отличные от трассировки лучей. Например некоторые данные возможно эффективней хранить в виде облака точек, с последующим проецированием на плоскость экрана. Описанный выше алгоритм можно использовать в средах виртуальной реальности.

Работа выполнена в рамках программы Президиума РАН № 18 "Алгоритмы и математическое обеспечение для вычислительных систем сверхвысокой производительности" при поддержке УрО РАН (проект 12-П-1-1034).


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28860. Учения о государстве и праве в Западной Европе в 19 ст. 92.5 KB
  Одновременно также складывалось консервативное и социологическое направление в исследовании государства. Среди ведущих представителей политикоправовой мысли во Франции этого периода необходимо назвать: Жозефа де Местра представитель консервативного направления Бенжамена Констана и Алексиса де Токвиля либеральнодемократическое направление Огюста Конта – основатель социологического направления в понимании государства и права. Происхождение и сущность государства: Необходимость и одновременно предназначение государства М. Сущность...
28861. Становление правовой науки в Российском государстве 99.5 KB
  Однако собственно теории права тогда еще не было. Все теоретическое знание о праве формировалось в рамках самостоятельной дисциплины – философии права. Последняя исследовала не столько теоретические основы позитивного права сколько право каким оно должно быть с точки зрения тех или иных идеальных критериев т. имело своим предметом то что исторически получило название естественного права.
28862. Учения о государстве и праве в Украине в 19первой половине 20 ст. 72 KB
  Философия права Панфила Юркевича. Что же касается собственно проблем осмысления и развития права то в силу приоритетности вопросов национальногосударственного самоопределения они оказываются на периферии внимания крупных ученых. Концептуальное значение для понимания права и автономности личности в учении Сковороды имеют идея сродности и природного равенства людей.1 Философия права Панфила Юркевича.
28863. Современные учения о государстве и праве 75 KB
  Неопозитивистские теории права Ганс Кельзен Герберт Харт. Социологические теории права Евгений Эрлих Роско Паунд. Психологическая теория права Лев Петражицкий. Это обусловлено с одной стороны тем что природа права такова что оно пронизывает все сверы человеческой жизнедеятельности и отражает как явление сложные экономические политические и социальные отношения.
28864. Обґрунтування проблем права і держави у вченнях мислителів стародавнього Сходу та Греції (докласичний період) 79 KB
  1 Обґрунтування проблем права і держави у вченнях мислителів стародавнього Сходу та Греції докласичний період. Філософське споглядання проблем держави і права перших грецьких мислителів. Виведення права із суб’єктивних потреб людини у вченні софістів. питання: Причини що обумовлюють відмінність розвитку підходу до ідеї права і держави у народів Сходу та грецького народу: історичні об’єктивний та суб’єктивний напрямки у історії правової культури; психологічні що розкриваються у принципах: мінливості чуттєвих вражень сталості звички...
28865. Учения о государстве и праве в Древней Греции 42 KB
  Теоретическое исследование проблем государства и права в Античной греческой философии: общая характеристика Основу формирования теоретического мировозрения  философии и в том числе первых представлений о гос. В соответствии с такими представлениями в философских учениях Античной Греции можно выделить следующие характерные особенности в понимании государства и права: государство рассматривалось как абсолютное и самодостаточное существо  человек большого размера. Частные формы жизни имели смысл лишь с точки зрения их полезности и...
28866. Учения о праве и государстве периода классической греческой философии 92.5 KB
  Методологические основания учения о праве и государства Платона. Поскольку человек должен действовать в жизни в соответствии с идеей блага то и цель государства реализовать эту идею. Сущность же государства как общества разумных существ можно познать познав сущность человека. И три основные функции которые надлежит выполнять этим сословиям управленческою оборону государства удовлетворение основных потребностей людей.
28867. Предмет історії вчень про державу і право 29 KB
  В общем виде задача этой дисциплины может быть сформулирована следующим образом: познакомить студента с содержанием и историей наиболее значительных теоретических концепций государства и права прошлых эпох. они представляют собой материал необходимый как для выработки научно обоснованного описания закономерностей функционирования государства так и для правильного решения типичных проблем политического властвования и правового регулирования возникающих в современной государственной жизни в Украине. По своему содержанию он призван охватить во...
28868. Учения о государстве и праве елленистического и древнеримского периодов 62.5 KB
  Таким образом в понимании стоиками государства и права можно выделить следующие особенности: 1. В этом смысле закон рассматривается как закон природы источник справедливости и права. Для учения о праве характерно различение права и закона анализ форм права. В качестве основы права П.