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

33890. Наука в послевоенный период 41.5 KB
  были открыты Институт точной механики и вычислительной техники Институт радиотехники и электроники Институт прикладной геофизики Институт физической химии Институт атомной энергии Институт ядерных проблем и др. Был создан Институт языкознания АН СССР во главе которого встал академик В. были открыты Институт точной механики и вычислительной техники Институт радиотехники и электроники Институт прикладной геофизики Институт физической химии Институт атомной энергии Институт ядерных проблем и др. Был создан Институт языкознания АН СССР...
33891. Развитие искусства во второй половине 40-х – начале 50-х гг 52 KB
  Тема войны Непринцев Отдых после боя Неменский сестры наши Костецкий Возвращение Лактионов Письмо с фронта. Тема восстановления Яблонская Хлеб Весна. Выдающиеся произведения: тема войны Некрасов В окопах Сталинграда Фадеев Молодая гвардия Казакевич звезда Полевой Повесть о настоящем человеке Твардовский Дом у дороги. Овечкин Районные будни тема деревни.
33892. Внешняя политика СССР в послевоенный период: отношения с Западными странами. Холодная война 54 KB
  Внешняя политика СССР в послевоенный период: отношения с Западными странами. Внешнеполитическая доктрина СССР против поддержки социалистических стран принцип мирного сосуществования. тезис о враждебности капиталистического окружения СССР. Сначала у СССР была мирная внешнеполитическая доктрина затем ужесточилось так же и у США.
33893. СССР и страны Центральной и Восточной Европы в послевоенный период. Роль СССР в формировании мировой системы социализма 35 KB
  СССР и страны Центральной и Восточной Европы в послевоенный период. Роль СССР в формировании мировой системы социализма. В 19451946 существовали коалиционные правительства в Западной Европе потом постепенно произошел переход к коммунистическим режимам: Румыния отречение Михая Болгария конституция 1947 и усиление позиций коммунистов Польша отставка коалиционного правительства Венгрия победа коммунистов на выборах Чехословакия сопротивление события 1948 надежда сохранить отношения и с СССР и с Западом. В сентябре...
33894. Поиск путей обновления общественно-политической жизни в СССР в 1953-1955 гг 37 KB
  Маленков председатель Совмина глава министерства Берия МВД МГБ зам председателя совмина Каганович первый заместитель председателя Совета Министров СССР с 1952 года член Президиума ЦК КПСС Молотов МИД Булганин министр обороны Ворошилов председатель президиума верховного совета. После этого большую власть получил Маленков заявление о группе В нужно поднимать деревню. На ней учредили пост 1 секретаря на который избрали Хрущева доклад Хрущева о с х Январь 1955 пленум ЦК КПСС слушалось дело Маленкова которого обвинили в...
33895. ХХ съезд КПСС и его историческое значение. Борьба с оппозицией в послевоенный период 27.5 KB
  Первоначально преодоление культа личности сводилось к перестройке пропаганды 1953 но Маленков заявил что дело не только в этом ведь этот вопрос связан с вопросом коллективного руководства.1956 доклад Хрущева О культе личности и его последствиях. Идея попытки преодолеть культ личности принадлежит Маленкову а не Хрущеву. Все идеи доклада были повторены в постановлении ЦК: в стране сложился культ личности Сталина вопрос о причинах свелся к личным качествам Сталина опубликованы последние работы Ленина культ личности не...
33896. Индустриальное развитие страны в 50-х гг 53.5 KB
  Индустриальное развитие страны в 50х гг. широкое развитие получает НТП. Индустриальное развитие шло по пятилеткам 19511955 пятая 19561960 шестая. Достижения в транспорте воздушный реактивные самолеты в пассажирских перевозках водный суда на подводных крыльях морской атомный ледокол сухопутный переход на электровозы и электрички автомобильный примитивное развитие трубопроводный трубопровод Дружба.
33897. Сельское хозяйство СССР в 50-х гг 27.5 KB
  Еще на XIX съезде заявили что продовольственная проблема решена но это было ложью. Вопрос о насыщении с х техникой и снабжении кадрами для этой техники проблема кадров инженернотехнического профиля. В январе 1955 на пленуме Хрущев поставил задачу подъема животноводства проблема кормов. Проблема раскрестьянивания одна из главных в нашей историографии.
33898. Попытки перестройки системы управления народным хозяйством в 50-х – первой половине 60-х гг 38 KB
  Попытки перестройки системы управления народным хозяйством в 50х первой половине 60х гг. Попытка усовершенствования структуры управления рычага АКС: признано что главный порок экономики чрезмерная централизация управления многоступенчатость управления до 6 звеньев огромное количество чиновников отрыв аппарата от управления производством. Вопросы реформирования управления промышленность ставились на XX съезде. С 1957 началась реформа управления промышленностью.