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

76663. Методи вимірювання твердості матеріалів 162.5 KB
  Метод Брінелля — твердість визначається за діаметром відбитка, який залишає металева кулька, що втискується у поверхню. Твердість обчислюється як відношення зусилля, прикладеного до кульки, до площі відбитка (причому площа відбитка береться як площа частини сфери, а не як площа кола)...
76664. Повышение эффективности системы электроснабжения предприятия на основе внедрения усовершенствованных силовых трансформаторов и кабелей 821.69 KB
  Одним из определяющих условий снижения издержек на промышленных предприятиях и повышения экономической эффективности производства в целом является рациональное использование энергетических ресурсов.
76665. Особенности межгрупповых конфликтов 34.1 KB
  Я надеюсь рассмотренная мною тема а следовательно и накопленный опыт помогут мне и в дальнейшем преодолевать сложные ситуации в жизни сглаживать углы назревающих конфликтов. Это многообразие оснований форм уровней и мотивов конфликтов и обусловливает трудность определения...
76666. Спасательная техника (УДВ-15, УДВ-25, ВФС-2,5, ВФС-10) 791 KB
  Наличие в войсках ГО и формированиях МЧС России техники – условие необходимое, но не достаточное для выполнения поставленных задач. Среди ряда факторов, влияющих на готовность соединений и частей к действию, большое значение имеет техническое состояние техники.
76667. Функциональные особенности организма детей раннего и первого детства и их учет при организации двигательной активности 45.53 KB
  Определение содержания занятий с физического, умственного, нравственного, естетичного и трудового воспитания детей, конкретных знаний, умений и навыков, которые должны быть усвоены детьми на разных возрастных этапах, а также качества, которые необходимо в них воспитывать;
76668. Главные схемы ТЭЦ 43.62 KB
  Таким образом первой особенностью главной схемы ТЭЦ является наличие во многих случаях сборных шин генераторного напряжения к которым присоединяются генераторы ТЭЦ и кабельные линии 6 10 кВ питающие местный район электрической нагрузки.
76669. Станочный парк турбиностроительного предприятия 579.5 KB
  Производство турбин как область технологии машиностроения весьма специфична. Технология турбостроения, обладая признаками отраслевой технологической дисциплины, существенно отличается от технологии общего машиностроения и технологии изготовления тяжелых машин иного назначения.
76670. Выходные дни 32.61 KB
  Одним из главных способов достижения реализации является труд как неоплачиваемый так и оплачиваемый. Выбрав тему реферата Выходные дни мы более подробно познакомимся с особенностями и правилами регулирования отдыха работников.
76671. Уголовная ответственность за экологические преступления 74 KB
  Охрана окружающей природной среды - одна из наиболее актуальных проблем современности. Научно-технический прогресс и усиление антропогенного давления на природную среду неизбежно приводят к обострению экологической ситуации: истощаются запасы природных ресурсов...