基于GPU加速的分形地形生成方法

论文摘要

三维地形是虚拟自然环境中不可缺少的因素,也是虚拟仿真领域中视景系统的重要组成部分。目前在地形仿真领域中,使用最多的方法是基于数字高程模型(DigitalElevation Models,DEM)的实时生成技术,但这种方法数据量非常大,复杂度高。在虚拟仿真系统中,通常希望产生实时动画的效果,因此算法的效率更显重要。分形方法以其简洁高效的特点,在地形生成领域得到广泛的应用,也取得了较好的仿真效果,但在处理大规模地形乃至超大规模地形时,通常要耗费大量的计算来生成地形数据,效率较低。针对上述问题,本文提出一种基于GPU(Graphics Processing Unit)加速的分形地形生成方法,该方法充分利用NVIDIA GPU的统一计算设备架构(Compute Unified DeviceArchitecture,CUDA),将分形地形生成算法转化为CUDA线程块并行计算过程,使地形的生成过程完全在GPU中加速执行,在取得较好模拟效果的同时,显著地提高了算法的运算速度。本文的主要研究工作如下:(1)回顾了三维分形地形生成技术的发展历程,对分形基本原理进行介绍,重点介绍分形在地形生成方面的算法,并比较分析了基于数字高程模型,分形地形生成的几种不同算法的优缺点。(2)回顾图形处理器GPU的发展,对它的处理原理及体系结构及NVIDIA GPU的统一计算设备架构(CUDA)进行介绍,分析它的优缺点及当前研究进展状况。(3)针对传统算法计算量大和计算速度慢的问题,提出基于GPU加速的分形地形生成算法,通过图形硬件的并行计算等特性,将传统的递归分形算法或迭代分形算法转化为并行计算,大幅提高计算速度,节约了计算时间。(4)对算法进行程序实现,并对算法在GPU和CPU中分别实现的时间进行比较,给出结果分析与效果图,证明了算法的可行性与实用性。(5)研究几种地形渲染技术,将其应用于本文地形渲染中,使生成的地形真实感更强,并给出本文算法最终地形渲染效果图。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 地形仿真综述
• 1.1 地形仿真研究背景
• 1.1.1 基于真实地形数据的地形生成
• 1.1.2 基于分形技术的地形仿真技术
• 1.1.3 基于数据拟合的地形仿真技术
• 1.2 研究趋势
• 1.2.1 图形生成速度是虚拟现实的瓶颈
• 1.2.2 图形加速方法的研究
• 1.3 本文主要工作
• 2 基于 GPU的并行计算技术
• 2.1 计算机图形硬件的发展
• 2.2 图形处理器的处理原理和体系结构
• 2.2.1 图形处理器的处理原理
• 2.2.2 图形处理器的体系结构
• 2.3 可编程图形硬件的特点
• 2.3.1 可编程图形硬件的优缺点
• 2.3.2 定位瓶颈和解决瓶颈
• 2.4 统一计算设备架构 CUDA简介
• 2.4.1 什么是 CUDA
• 2.4.2 CUDA性能
• 2.5 基于 GPU的并行计算
• 2.5.1 基于 GPU的实时渲染
• 2.5.2 基于 GPU的图像处理技术和通用计算
• 3 基于 GPU加速的分形地形生成
• 3.1 分形理论基础
• 3.1.1 分形概念
• 3.1.2 分形理论的历史和研究现状
• 3.1.3 分形基本原理
• 3.1.4 分形地形模拟理论基础
• 3.2 Diamond-Square分形地形算法
• 3.2.1 CPU算法流程
• 3.2.2 算法随即变量的选取
• 3.2.3 算法存在的问题
• 3.3 Diamond-Square算法改进
• 3.3.1 改进 Diamond-Square算法
• 3.3.2 并行化处理
• 3.4 Diamond-Square算法的 GPU实现
• 3.4.1 CUDA编程简介
• 3.4.2 GPU算法流程
• 3.5 实验结果及分析
• 3.6 本章小结
• 4 地形渲染
• 4.1 几何体剪切图
• 4.2 阴影生成
• 4.3 纹理映射
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢