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

23508. Фразеологизмы новозаветного происхождения в современном русском языке 982.5 KB
  Курск 1998 [1] Введение [2] Глава I [3] Краткие сведения по некоторым теоретическим вопросам фразеологии русского языка. [5] Новозаветные по происхождению фразеологизмы как элемент фразеологической системы русского языка [5. Библейская фразеология и проблемы культуры речи [10] Заключение [11] Список использованной литературы [12] Приложение № 1 Введение О фразеологии написано множество статей книг диссертаций а интерес к этой области языка не иссякает ни у исследователей ни у тех кто просто неравнодушен к слову.
23509. ОБ ОСНОВНЫХ ТИПАХ ФРАЗЕОЛОГИЧЕСКИХ ЕДИНИЦ В РУССКОМ ЯЗЫКЕ 159 KB
  Шахматов в своем Синтаксисе русского языка настойчиво подчеркивал чрезвычайную важность вопроса о неразложимых сочетаниях слов не только для лексикологии resp. Под разложением словосочетания писал А. Между тем подобное разложение для некоторых словосочетаний оказывается невозможным. В неразложимых словосочетаниях связь компонентов может быть объяснена с исторической точки зрения но она непонятна немотивирована с точки зрения живой системы современных грамматических отношений.
23510. СТИЛЬ ПИКОВОЙ ДАМЫ 430.5 KB
  ВИНОГРАДОВ СТИЛЬ ПИКОВОЙ ДАМЫ€œ Пушкинский стиль пушкинская манера лирического выражения и повествования почти не описаны и не исследованы. Современнее и резче всего пушкинская манера повествования обозначилась в структуре Пиковой Дамы€œ. Сюжет Пиковой Дамы€œ и профессиональноигрецкие анекдоты В Пиковой Даме€œ семантическое многообразие доведено до предела. Игра в фараон в Пиковой Даме€œ не столько тема авторского повествования сколько тема разговора между персонажами.
23511. Смысл: семь дихотомических признаков 93.5 KB
  Новиков Смысл: семь дихотомических признаков Смысл относится к тем загадочным явлениям которые считаются как бы общеизвестными поскольку постоянно фигурируют как в научном так и обыденном общении. Иногда допускается что смысл принадлежит к тем наиболее общим категориям которые не подлежат определению и должны восприниматься как некоторая данность. В настоящее время в связи с необходимостью решения целого ряда актуальных задач как теоретического так и прикладного характера где понятие смысла играет ключевое значение требуются...
23512. Словообразование как наука 197 KB
  В этом аспекте словообразование рассматривается как одно из важнейших средств пополнения словарного состава языка. Новые слова в языке образуются по определенным правилам моделям схемам – по определенным образцам которые образуют определенный языковой механизм который и называется словообразованием. В языке различают непроизводные слова ех: лес река море стол идти веселый синий – примарные первообразные и производные слова – образованные на базе существующих слов ех: морской речник развеселый лесной. Производные слова...
23513. Русское слово в свете структурно-семантического описания (словообразовательный и морфемный анализ) 240.5 KB
  Роженцова Словообразовательный и морфемный анализ как способ исследования структурносемантических особенностей производного слова Одним из важнейших результатов изучения курса морфемики и словообразования современного русского языка является умение дать словообразовательный и морфемный анализ любого слова. Это умение опирается на теоретические представления о том по каким законам строятся слова в языке как функционируют морфемы как организуется значение производного слова и т. При освоении каждого этапа рекомендуется опираясь на данные...
23514. Морфемика. Морфонология. Словообразование 254 KB
  Оглавление Объяснительная записка 4 Словоизменительные аффиксы и принципы их вычленения 6 Формообразовательные аффиксы и принципы их вычленения 12 Словообразовательные аффиксы и принципы их вычленения 21 Корень как главная морфема в структуре слова 32 Полный морфемный анализ 35 Разбор по составу 38 Библиографический список 39 Объяснительная записка Морфемика – это лингвистическая дисциплина изучающая систему морфем языка типы морфем их строение сочетаемость и морфемную структуру слова. Одним из важнейших результатов изучения курса...
23515. ФОНЕТИКА, ГРАФИКА, ОРФОГРАФИЯ 777.5 KB
  Таким образом своей основной задачей мы считали системное изложение фактов русского языка в соответствии с современными представлениями об устройстве фонетического компонента языка2. Этим обусловлено включение некоторых разделов ранее отсутствовавших в учебниках таких как Перцептивный аспект фонетических описаний Артикуляционная база русского языка Разговорная речь а также существенное расширение сведений из области речепроизводства и речевой акустики при изложении основ перцептивной фонетики мы основывались на тех сведениях...