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一种基于GPU加速的地形渲染算法

作　者: 王海鹏
导　师: 吴昊
学　校: 湖南大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 地形可视化层次细节图形处理单元四叉堆
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

地形可视化技术常用于虚拟环境、地理信息系统等。在地形可视化系统中,通常采用LOD(层次细节)技术来实现视点相关的动态网面构建。随着地形采样技术的发展,地形数据的分辨率越来越高,数据量也越来越大,传统的LOD算法在构建地形网面时要将所有地形数据读入主存,生成地形网面后再通过图形库传输到显卡进行渲染,当地形数据量很大时,数据传输效率会下降。另外,近年来随着GPU技术飞速发展,越来越多的人尝试利用GPU完成许多以前只有CPU才能处理的任务。因此,本文着重研究了LOD算法在GPU上实现的问题,主要工作如下：提出一种自适应地形数据二维纹理化算法。传统的LOD算法在构建地形网面时,都对地形数据直接采用自顶向下的方法构建网面,虽然算法较为简单,但当地形数据量很大时,顶层网面的数据跨度非常的大,这种情况会导致操作系统频繁的读盘,但每次读盘的数据量又很小,极大地降低了系统的运行效率。本文提出一种自适应地形数据二维纹理化算法,以当前视锥体参数、GPU的显存容量为输入,输出最优分块数,然后将每个子块构建成二维纹理并将纹理发送到显存,GPU直接从显存读取高程值并构建网面,大大提高了渲染速度。提出一种能在GPU中操作树结构的数据组织形式(四叉堆)及其相应的LOD地形渲染算法。由于GPU的指令集中不包含指针操作,传统的LOD算法使用的四叉树、三角二叉树等结构又都包含指针域,为了使GPU能够操作上述层级结构,本文提出四叉堆结构。该结构既可以存储地形网面中的层级信息,又支持数组的向量操作,实现了在GPU上执行LOD的数据结构。设计并实现了一个基于GPU加速的地形可视化系统。本文在C++和OpenGL环境下,采用Nvidia Cg语言编写了基于四叉堆的LOD算法实现,并在实验GPU上的几何着色器上运行,实验结果表明,渲染同样的画面,该算法的帧速率、三角形吞吐量和带宽均优于传统四叉树算法。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
插图索引  10-11
附表索引  11-12
第1章绪论  12-18
  1.1 研究背景及意义  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-16
    1.2.1 LOD的提出  13
    1.2.2 基于正规高度场的CLOD  13-14
    1.2.3 基于三角形不规则网络的CLOD  14-15
    1.2.4 基于GPU加速的地形渲染算法  15-16
  1.3 主要工作  16-17
  1.4 组织结构  17-18
第2章地形可视化基础  18-30
  2.1 DEM的引入  18-19
  2.2 OpenGL介绍  19-21
    2.2.1 顶点操作  20
    2.2.2 片元操作  20-21
  2.3 GPU相关技术介绍  21-23
    2.3.1 GPU基本概念  21
    2.3.2 GPU高速度的理论基础  21-23
    2.3.3 GPU可编程管线  23
  2.4 着色器  23-26
    2.4.1 顶点着色器  24
    2.4.2 片元着色器  24
    2.4.3 几何着色器  24-25
    2.4.4 Nvidia Cg介绍  25
    2.4.5 Cg对GPU进行编程的模型  25-26
  2.5 顶点缓冲区对象(VBO)  26-30
    2.5.1 顶点数据的批量处理  26-27
    2.5.2 显示列表  27-28
    2.5.3 顶点数组  28
    2.5.4 VBO的提出  28-29
    2.5.5 VBO的使用  29-30
第3章基于四叉树的LOD算法及改进  30-41
  3.1 四叉树结构简介  30-31
  3.2 基于四叉树的地形网面细化方法  31-39
    3.2.1 DEM到QuadTree的构建  31-32
    3.2.2 自顶向下的细化  32-34
    3.2.3 裂隙的消除  34-36
    3.2.4 基于四叉树的地形网面细化误差度量  36
    3.2.5 四叉树块在近平面上的投影面积  36-39
  3.3 四叉树算法的分析与改进  39-41
第4章基于GPU的四叉堆LOD算法  41-55
  4.1 四叉堆结构  41-43
    4.1.1 四叉堆的静态结构  41-42
    4.1.2 四叉堆支持的操作  42
    4.1.3 四叉堆的存储  42-43
  4.2 四叉堆LOD算法概述  43-44
  4.3 DEM划分和二维纹理化  44-47
    4.3.1 DEM的划分  44-45
    4.3.2 DEM子块的链表管理  45-46
    4.3.3 DEM子块的纹理化  46-47
  4.4 顶点着色器的顶点变换  47
  4.5 几何着色器上的网面生成  47-50
    4.5.1 几何着色器概念  47-48
    4.5.2 基于四叉堆的网面构建算法  48-50
  4.6 片元着色器的像素处理  50
  4.7 实验结果  50-53
    4.7.1 实验平台和样本数据  50-51
    4.7.2 渲染结果对比  51-53
  4.8 算法优缺点总结  53-55
结论  55-57
参考文献  57-61
致谢  61-62
附录  62

一种基于GPU加速的地形渲染算法

内容摘要

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