编程技术在图形上的应用

编程技术在图形上的应用

硬件技术比较近年来，计算机图形处理器（gpu）得到了广泛应用，高级渲染器（vatixshdm）用于计算三角形顶部的几何变换和光度计，片源渲染器（framtsea或cm）用于绘制图像，并具有三维纹理映射功能。人们开始求助于硬件,利用硬件的功能来实现体绘制过程中的某些环节,从而大大提高了绘制速度,使得实时绘制成为可能。例如,NVIDIA公司的GeForce系列和ATI公司的Radeon系列图形显示芯片不仅提供灵活的光栅化硬件,而且还具备可编程能力,能较好地支持多纹理、单像素光照运算、纹理获取等先进的绘制技术,图形硬件的可编程能力使得用户可以根据自己的要求为硬件定制较为复杂的渲染程序,产生逼真的复杂的图像效果。以往在图形工作站上实现的许多体绘制方法经过改进后可以由后期的标准PC图形硬件来实现,不但可以获得较高的绘制速度和性能,而且硬件成本也大大降低,应用标准PC机作为可视化平台已表现出明显的趋势。1功能图形视频信号流水线是指按固定次序并行执行的一系列处理阶段,每一阶段从上一步获得输入并将结果输出到下一步。GPU和CPU的结构类似,因此它的功能也是以流水线的方式执行。当然CPU是通用处理单元,可执行任何应用程序,而GPU针对的是图形领域,专门用来处理几何数据并最终生成可在显示器上显示的二维像素信息。其间所有的处理阶段称为图形流水线(GraphicsPipeline)。传统的图形流水线执行固定的功能,被称为固定功能的图形流水线。在此基础上增加能够替代原来的固定功能模块的可编程模块,因此称之为可编程的图形流水线。1.1光照计算和图元装配图1所示即为固定功能的图形流水线。下面将简要介绍各操作的功能。整个操作的流程由在CPU上运行的应用程序发起,由它向GPU提供顶点数据,即该顶点的三维空间坐标。在顶点变换阶段,对每个顶点的空间坐标进行“模型视点变换”,转换至“视点坐标”。与此同时,根据变换后的顶点坐标、光照模型等信息进行光照计算。然后,把视点坐标和光照计算得到的颜色结果传递给图元装配操作。在图元装配阶段,首先将变换后的顶点根据它们的连接信息重新组合成图元(一组点、直线或多边形);然后对这些图元进行“投影变换”,使之产生距离感;其次执行裁剪操作,在视景体以外的物体将被裁剪掉,这样在最终的场景中讲不绘制它们;然后执行投影除法,生成归一化的设备坐标;最后,应用视口变换,将顶点的坐标转换为“窗口坐标”。这个阶段的处理结果是完整的几何图元:变换和裁剪后的顶点以及相关的颜色、深度、纹理坐标值等信息。在光栅化阶段,将转换几何图元为片元,每个片元都对应于帧缓存中的一个像素。这个阶段将对几何图元的顶点属性进行插值,从而确定每个片元的属性(即颜色和深度值)。在片元操作阶段,片元经过纹理映射、雾效计算、裁剪测试、alpha测试、模板测试、深度测试等处理,得到每个片元的最终颜色和深度值,最后将片元作为像素写入帧缓存。1.2要点程序和片元程序当今图形硬件设计上的趋势就是在图形处理器内提供更多的可编程性。如图2所示,与固定功能的图形流水线不同的是,“顶点程序”取代了原有的“固定功能的顶点变换和光照计算”,“片元程序”取代了原有的“固定功能片元操作”。由此可见,在如今的设计中,顶点和片段的处理被分离成了可编程的单元。开发人员可以通过自己编写顶点程序和片元程序来控制相应数据的处理。在GPU中,这些程序将分别由顶点处理器和片元处理器来执行。1.2.1顶顶控制器设计顶点处理器的处理流程如图3所示,从载入每个顶点的属性开始,这些属性包括顶点的位置、颜色、纹理坐标等。然后顶点处理器重复取出顶点程序中的下一条指令,并执行它,直到顶点程序结束。在顶点程序的指令中,可以存取几个寄存器集合。例如输入寄存器是只读的,包含了应用程序指定的顶点属性集。临时寄存器是可读写的,被用作计算中间结果。输出寄存器只支持写操作,被用作保存变换后的顶点数据,在顶点处理结束,经过图元装配和光栅化的操作后,这些输出寄存器的值会经由插值计算传递给片元处理器。顶点处理器提供了对二维、三维或四维浮点数向量操作的支持。随着图形处理器硬件的发展,顶点处理器还将不断增加支持的指令数以及寄存器的个数,另外,分支、循环等流控制语句也会在最新的顶点处理器中得到实现。1.2.2输出设备输出储存和顶点处理器类似的是,片元处理器从输入寄存器得到输入数据,然后执行一系列的片元指令,其中可以存取一些临时寄存器和常量寄存器,最后将结果存入输出寄存器。但是,片元处理器有几处不同于顶点处理器:1)片元处理器的输入寄存器包含了从几何图元的顶点参数经过插值获得的片元参数,而不是顶点属性。另外,片元处理器把片元的颜色和深度值作为结果写入输出寄存器。2)片元处理器还支持纹理操作。即可以通过一组纹理坐标,对纹理图像进行采样。当前许多片元处理器只有有限的固定点数据类型,而且对程序任意分支的支持也不够完善。当然,随着图形处理器的发展,这些资源、功能的限制也许将不会存在。2体绘制的设计所谓基于硬件的纹理映射指的是在纹理空间中实现重采样的插值运算及具有不透明度值的图象合成等操作均由硬件完成,从而大大提高了运算速度。这种方法首先将体数据作为纹理图装入纹理内存,然后在体数据内部定义一系列采样多边形去采样物体的纹理,再通过查找表将采样得到的数据转换为相应的颜色值及不透明度值,这样就可以按照从后向前的顺序进行图象合成,投影于视平面而形成最后的图象。体数据都以M×N×L的网格形式存储。基于纹理的体绘制一般将体数据当成纹理映射到3D物体空间中。绘制时,按照一定的方向对体数据采样,得到一系列的纹理多边形面片,然后按由后往前的顺序绘制这些纹理多边形。根据所用纹理的不同,基于纹理的体绘制分为基于3D纹理的绘制和基于2D纹理的绘制。基于2D纹理的体绘制模式下,体数据的采样主轴为其自身网格数据的3个轴方向之一。按采样主轴方向进行采样,得到一系列大小相同相互平行的矩形,然后将这些面片按视线方向由后往前绘制。随着视线方向的改变,采样的主轴方向也应该相应调整,使得视线和采样主轴方向尽可能小。这种绘制方法一般需要按三个主轴方向各存储一套数据,因而使用内存较多。另外,对不同方向上的采样率可能不一致;2D纹理硬件一般不能做三线性插值,只能二线性插值,这些对绘制效果都有一定影响。基于3D纹理的体绘制方式下,体数据直接作为3D纹理,因而要求显卡必须支持3D纹理。绘制时,按照视线方向对体数据进行采样,得到一系列的平行多边形,将这些纹理多边形由后往前绘制即可。支持3D纹理的显卡一般也支持纹理的三线性插值,故这种绘制方式能对体数据进行三线性插值。体绘制时,使用alphablending可以实现体绘制的半透明效果。3维梯度拟合传输函数是直接体绘制的基础,它的角色就是使得数据可见。通过将颜色和不透明度这些光学属性赋给体素,体数据能够使用传统的计算机图形学方法进行绘制。目前的大多数直接体绘制技术使用的是一维传输函数,也就是说一维标量数据是唯一被用来赋予颜色和不透明度值的变量。通常有很多一维传输函数难以提取的体数据特征,很多来自CT或MRI的医学数据含有多种材质间的复杂边界。当一个数据值与多个边界相关联时,一维传输函数很难将它们区分开来。另外,一维传输函数也不能很好的描述诸如厚度信息这种边界的细微变化。多维传输函数允许每个采样点使用多个数据值的组合进行分类,而不是只使用一个单一标量值。使用多个数据值能增加在传输函数域中唯一的分离出特征的可能性,有效的表示数据集结构间的差异。这些数据值可以看成是多维传输函数的坐标轴。梯度模可以作为传输函数的第二维,对于标量数据,梯度是一个一阶导数的方法。作为一个向量,它说明了最大变化的方向。归一化的梯度经常用作基于表面的体绘制的法线。梯度的模是一个标量,说明了标量域的局部变化率。这里使用f表示函数f的梯度的模,f是表示数据的标量函数。这个值作为传输函数的一个坐标轴是很有用的,因为它有效区分了同质区域(梯度值小)和变化区域(梯度值大)。4应用危险识别的时域组合下面是一系列使用多维传输函数绘制温度场的图示。气象模拟数据集是只能使用多个数据值,并使用||G||作为多维传输函数的一个坐标轴进行识别的一个例子。例如,气团是一种主要使用温度和湿度进行描述的天气现象。气团的交界面、也就是锋面是形成中纬度暴风雨的主要原因。冷锋面能产生雷暴、冰雹、飓风等剧烈天气。因此锋面的精确表示就变得很重要。5刚性振动扰动时动态仿真通过利用图形处理器硬件提供的片元渲染器以及三维纹理8采用基于特征模型自适应控制律对姿态角θ的控制精度为±0.0044,姿态角峰值4.446,到达稳态时间为50s。图7是特征模型参数辨识结果,稳态时,1f=1.9873,f2=-0.9885,从以上两组仿真结果来看,变系数PD控制律和基于特征模型的自适应控制律都能对系统状态变量进行有效控制。当刚性本体受到共振扰动时,采用基于特征模型自适应控制律控制的精度要高于采用变系数PD控制律控制的精度,但用基于特征模型自适应控制律控制,对象在收缩时超调量大。从仿真结果综合来看,基于特征模型自适应控制律的控制效果要好于变系数PD控制律,这是因为变系数PD控制律只利用了系统的总转动惯量的信息,而基于特征模型自适应控制律通过辨识特征模型的参数不仅用到了系统的总转动惯量信息g0还利用了系统的特征信息1f,f2对位置信息进行黄金分割综合。5基于确知系