● 摘要
近年来，随着计算机图形学理论不断完善，图形绘制软、硬件技术的持续进步，实时图形绘制技术己经深入地应用到设计、娱乐、科学研究等各个方面，成为了人类生产、生活不可缺少的一个部分。但是计算机软、硬件技术的飞速发展迅速也推动了应用领域不断地对图形处理能力提出更新更苛刻的要求。面对越来越复杂的绘制算法、庞大而复杂的场景模型数据以及高分辨率的超大屏幕显示，孤立的图形绘制系统已经捉襟见肘。因此并行图形绘制技术作为一种高性能图形绘制的解决方案一直受到研究者的重视，而基于GPU与PC集群的并行图形绘制系统因为诸多优点成为近年来的研究热点。受到GPU处理架构与性能的影响，传统的并行图形绘制普遍采取前向着色的绘制方法。而随着GPU可编程能力与处理性能的提高，实时的延期着色绘制已经可以通过两次流水线绘制在通用PC上实现，且其出色的图形绘制性能和灵活的可扩展架构吸引了越来越多关注的目光，因此本文创新地提出基于GPU集群与延期着色的并行图形绘制系统。本文对基于GPU集群与延期着色的并行图形绘制研究的主要贡献在于：首先，从理论分析角度，提出GPU集群下的并行延期绘制结构与分类方法。从应用实现角度，根据GPU集群的硬件环境，提出了基于延期着色的混合式并行绘制体系结构——GPU集群延期绘制系统。该系统的主要特点在于采用分阶段并行的系统结构，并根据延期着色在可见性检测与光照着色阶段的绘制负载特性，在不同阶段中使用不同的并行绘制结构。其次，根据并行延期绘制的分阶段并行特点，提出了一种混合结构的图像合成策略。对并行系统中各延期着色绘制节点的可见性检测结果采用基于通用硬件的软件图像合成方法，并利用多处理器结构实现直接发送的图像合成策略；而对各延期着色绘制节点的光照着色结果采用基于多投影拼接技术实现光学图像合成方法。这种混合结构既充分利用了单一计算机内的高性能总线与多内核处理器的并行计算能力，又能够避免在绘制服务器间传输大量的像素数据。再次，通过对延期着色绘制不同阶段的绘制负载进行分析，提出一种更为完善的负载模型，并对该模型作为负载划分与平衡处理依据的有效性进行验证。在上述负载模型的基础上，创造性的提出使用颜色值对各种绘制负载进行量化并将屏幕负载分布以二维纹理形式进行保存，即负载分布图，利用GPU的可编程像素着色功能实现了上述负载分布的实时预测，并给出基于负载分布图的快速负载划分方法。相对于传统的负载平衡策略，本文提出的动态负载平衡策略能够以较低的计算负载更为精确的预测屏幕空间内的负载分布，并据此实现对屏幕负载的均匀划分。最后，提出一种新的并行绘制软件架构－PRMS（Parallel Rendering Message System）。该架构以基于消息的方式驱动图形绘制软件，并以多进程同步的方式实现其在GPU集群延期绘制系统中并行运行。通过对开源的并行绘制软件框架Equalizer进行扩展，本文给出了基于延期着色的并行图形绘制原型系统——EqOgre的具体实现。