专利名称：一种基于错切变形的并行体绘制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于错切变形的并行体绘制系统系统，属于信息可视化技术领 域。
背景技术：
直接体绘制(简称体绘制)是一种重要的数据场可视化方法。与基于多变形的面 绘制不同，它直接将体数据按照一定的映射规则合成图像，具有丰富的表现力。因此，在生 物学、医学、计算流体力学、有限元分析、航空航天、核爆模拟、地质勘探、气象等各个领域有 着广泛的应用前景。但同时，体绘制也具有数据量庞大，计算负荷强的特点。
目前主要的体绘制算法有光线投射算法(Ray-Casting)，Splatting算法，和错切 变形(Shear-Warp)算法等。其中Siear-Warp算法一直以来都被认为是速度最快的纯软件 体绘制算法。由于体绘制具有数据量大、数据类型复杂、计算强度大的特点，计算速度慢成 为体绘制算法的一个主要问题。仅仅依靠计算机本身存储能力和计算能力的提高，尚不足 以解决这一问题。因此出现了各种针对体绘制的并行/分布式加速方法。体绘制算法主要 分为以图像空间为序(如RayCasting)和以对象空间为序(如Splatting)两种，相应的， 其并行绘制算法也分为图像并行算法和对象并行算法等。
上述并行体绘制系统主要存在以下一些问题
1)尽管错切变形(Shear-Warp)算法是最快的直接体绘制算法，但基于错切变形 的并行绘制系统相对较少，需要针对错切变形算法的特点采取多项优化措施，以进一步提 高并行体绘制系统的性能。
2)就多节点组成的并行体绘制系统而言，需要提供一套行之有效的，自适应的帧 率控制及同步技术，否则各节点均采用尽力绘制和传送的策略，将导致大量重复的体会制 计算及相同局部图像的网络传输，无谓降低并行体绘制系统的性能。
针对以上问题，本发明提出了一种基于错切变形的并行体绘制系统，其核心思想 为整个并行体绘制系统由PC机群经局域网络互联构成，其中有一个主节点和多个从节 点；基于错切变形的体绘制思想，主节点负责根据负载均衡的原理，对各从节点进行任务调 度，帧率控制以及将各从节点的局部可视化结果合成最终绘制结果输出；从节点负责根据 主节点划分的扫描线任务完成的局部扫描线的错切变形可视化计算，形成局部图像并发送 给主节点。
就整个并行体绘制系统而言，从节点可以动态加入和退出，因而本发明的并行体 绘制系统具有良好的可扩展性和灵活性。此外，针对任务划分方法和自适应帧率控制等环 节，本发明分别提出了优化策略和措施，进一步提高了绘制速度。发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，基于错切变形(Shear-Warp) 算法，提供一个适应大规模数据场可视化的，具有较高绘制速度的并行体绘制系统。
本发明采用的技术方案基于错切变形的并行体绘制系统，其特点在于采用如图 2所示的PC机群系统，主节点和从节点通过局域网相连，主节点作为控制节点，负责从节点 的动态加载与退出管理、任务分配与调度、帧同步控制及合成从节点局部图像；从节点作为 计算节点，负责在主节点的协调控制下，完成局部的可视化计算，形成局部扫描图像并向主 机汇总，从而构成一个并行的体绘制系统。本系统具体通过以下步骤实现并行体绘制，如图 1所示
(1)并行体绘制系统初始化，启动主节点作为服务器端，以监听从机作为客户端的 连接请求，启动从节点作为客户端。
(2)主节点处理从节点的动态加入及退出请求。
(3)接受用户交互，主节点接收用户交互操作，取得视点，模型位置，视线方向等信 息，计算绘制参数。
(4)基于扫描线及负载均衡原则的任务划分，主节点根据第(3)步获得的绘制参 数及各从节点上一帧的绘制时间(如某从节点尚无上一帧绘制时间，则将该从节点的上一 帧绘制时间初始化为1Λ4秒)，主节点根据数据场可视化所需进行的扫描线数量，及各从 节点上一帧的绘制时间，重新为各从节点分配绘制任务(即各从节点下一帧所需计算的扫 描线数量和序号)，并分发给各个已连接的从节点；
(5) AIAMD时间预测参数自适应动态更新，主节点更新与各从节点相关的AIAMD时 间预测模型参数。
(6)帧同步控制，主节点计算各从节点下一帧绘制的开始时刻，并分发给各从节 点，各从节点据此控制本节点的绘制帧频。
(7)从节点并行可视化绘制与数据传输，各从节点根据扫描线任务划分并依据错 切变形算法进行局部扫描线的可视化计算，形成局部图像，并将图像数据传给主节点。
(8)最终图像生成，主节点按扫描线序合并各从节点局部图像数据，合成最终图像 输出。
本发明与现有技术相比的有益效果是
(1)相对现有技术，本发明支持从节点即并行计算节点的动态加入与退出，因而该 并行体绘制系统具有更好的灵活性和可扩展性。
(2)根据错切变形(Shear-Warp)算法的特点，本发明在针对该算法的并行化过程 中给出了一套任务划分优化策略，有效保证了各从节点间的负载均衡，从而提高并行体绘 制系统的绘制速度。
(3)为避免各从节点重复进行相同内容的错切变形(Shear-Warp)可视化计算及 相同局部图像的重复传输，无谓降低系统性能，本发明基于帧率控制策略中AIAMD的思想， 并加以拓展和改进，提出了一套适用于并行体绘制系统的帧同步控制策略，保证了各从节 点局部图像绘制帧频的一致性。
图1为基于错切变形的并行体绘制流程图示；
图2为并行体绘制系统组成结构图3为任务分割示意图
图4a、图4b为错切变形(Shear-Warp)算法示意图5a、图5b、图5c为2节点绘制时间曲线图6a、图6b、图6c为4节点绘制时间曲线图7a、图7b、图7c为8节点绘制时间曲线图8a、图8b、图8c为16节点绘制时间曲线图9a、图9b为错切变形(Shear-Warp)的绘制效果。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式
对本发明进一步详细说明。
(1)并行体绘制系统初始化。
首先启动主节点作为服务器端，然后启动从节点作为客户端，在整个并行体绘制 运行期间，主节点保持对各从节点的监听。
(2)处理从节点的动态加入及退出请求。
这一流程由主节点和从节点配合完成；
如主节点收到从节点动态加入的请求，则将从节点信息添加到主节点负责维护的 从节点列表中，这些从节点信息包括包括从节点IP地址，上一帧绘制任务所涉及的扫描线 划分，上一帧绘制任务所花费的绘制时间、网络传输时间、总时间，以及用于帧率控制的参 数信息。其中扫描线划分为空集，时间为0。
如主节点收到从节点的退出请求，则将该从节点信息从主节点负责维护的从节点 列表中删除。
(3)接受用户交互。
主节点接收用户交互，取得视点、模型位置及视线方向等信息，计算体绘制所需的 绘制参数。这一流程由主机完成；
用户可通过鼠标和键盘操作完成两类交互，一类为视点的平移和旋转，另一类为 数据场的平移和旋转。主机根据交互结果计算新的视点位置和数据场坐标，形成新的视线 方向，即由视点指向数据场中心坐标的方向，上述信息构成体绘制计算所需的绘制参数。
(4)基于扫描线及负载均衡原则的任务划分。
主节点根据绘制参数以及上一帧各从节点的绘制任务划分和绘制时间重新制定 任务划分，并分发给各个已连接的从节点。
由于错切变形(ShearWarp)算法是一种中间像序算法，合成工作是按照局部图像 的扫描线进行的，各条扫描线的合成工作互不干扰，因此本发明依据扫描线划分各从节点 的绘制任务。常用的任务分配方法主要有依据局部图像大小的平均分配方法和按实际估算 任务量的平均分配方法。前者把绘制合成任务按局部图像大小平均分配到各个从节点，尽 管各从节点所绘制的的局部图像大小相同，但实际各从节点的实际错切变形可视化计算的 负载并不均衡，这是由错切变形可视化的特点决定的。后者按实际计算负载为每个从节点 分配任务，即每帧绘制周期开始时先估算总任务量，再按总任务量平均分配给从机，这一策 略一方面需要进行额外的任务负载计算，另一方面其计算结果的准确性受随机因素的影响 大，实际效果不理想。鉴于上述原因，本发明采用了一种更为实用的优化策略，即根据各从 节点上一帧任务划分完成的情况进行动态预测及调整的任务分配优化策略。这一流程由主机和从机配合完成，具体流程如下
第一步根据视点和数据场坐标范围确定下一帧绘制的扫描线数量，记为S，如图 3所示。设第i个从节点在上一帧所负责的扫描线数量为PSi,所花费的总时间(即绘制时TT间和网络传输时间)为TTi,则第i个从节点每扫描线所花费的平均时间氓；如果第 i个从节点为新加入的节点，则直接设置Clti = 1 ；
第二步根据上一帧的任务负载情况调整下一帧各从节点的任务划分，因为 前后两帧的变化不会很大，在各从节点任务负载均衡的情况下，所有从节点在下一帧所 需花费的总时间均应为T，设下一帧第i个从节点所负责的扫描线数量为Si,任务分配τ— S优化的结果希望求解Si和Τ，满足=S，同时Clti · Si = Τ，于是解出7 - Yxidtl， 5 二T — S ’‘dts dt ^xtdt1 ’j
第三步将下一帧新的任务划分分发给各从节点。
(5)AIAMD时间预测参数自适应动态更新。
在不加入帧同步控制的并行体绘制系统中，各从节点采用尽力绘制和尽力传送的 策略，这将导致各从节点重复进行相同的可视化计算和相同的局部图像传输，无谓加重从 节点的计算负载和网络负载。本发明为了避免上述问题，考虑到并行体绘制系统中的绘制 帧同步控制与视频流传输过程中的帧频控制两类问题的联系与区别，本发明基于视频流帧 率控制策略中AIAMD的思想，并加以拓展和改进，给出了一套适用于并行体绘制系统的帧 控制策略，通过向各从节点发送下一帧开始时间，避免重复的可视化计算和网络传输。
首先引入帧控制策略中的一些概念
绘制时间(RenderTime) =RTi(J),! = 1,2, ...，N，j = 1，2，…，表示第 i 个从节 点利用错切变形可视化方法绘制第j帧局部图像的绘制时间；
网络传输时间(SendTime) =STi(J),! = 1,2,…，N，j = 1，2，…，表示第 i 个从 节点传送第j帧局部图像到主节点的时间；
总时间(TotalTime) =TTi(J), i = 1,2,…，N，j = 1,2,…，表示第 i 个从节点 的第j帧局部图像从生成到传送给主节点缓冲区花费的总时间。
帧频管理器(Frame Rate Manager)运行于主节点上，通过统计分析各从节点的绘 制能力及网络传输能力来确定各从节点下一帧的绘制开始时刻。
帧显示缓存(Display Buffer)是主节点上的一个缓冲区，用来存储各从节点传送 的绘制图像的像素数据。
视频流控制方法中，AIAMD时间预测模型为Tk+1 = α+β · Tk, k = 1,2,…，实现 AIAMD策略的参数α、β是通过多次实验得出的优化参数，在整个帧率控制过程中固定不 变。在本发明所针对的并行体绘制系统中，上述策略存在较大的局限性。本发明的AIAMD 时间预测模型采用每帧自适应更新时间预测参数的方式定义，因而时间预测模型修改为 T(j+1) = α」+β」·ΤΤ_(」)，其中j = 1，2，…为帧号，α」、β」为第j帧的时间预测参数， 需要根据每一帧的不同情况自适应动态更新，具体流程如下
第一步，主节点接收到各从节发送来的每帧绘制信息，包括
第i节点在第j帧的绘制时间=RTi (j)，i = 1,2,…，N，j = 1，2，…；
第1节点在第」帧的数据传送时间31\(力，1 = 1，2，…，N，j = l，2，…；
同时计算得到第i节点第j帧绘制任务完成的总时间
TTi(J) = RTi (j)+STi(J), i = 1，2，...，N，j = l，2，…；
从而求得当前帧的所有节点总时间中的最大的总时间
TTmax (y) = max{77； (_/)} ’ i = 1，2，…，N，j = 1，2，...；
第二步，根据相邻两帧时间信息之间的变化情况对第j帧采用的时间预测参数 ^进行取值范围界定，如表1所示。
权利要求
1.基于错切变形的并行体绘制方法，其特征在于以速度最快的错切变形 (Shear-Warp)体绘制算法为基础，构造分布式的并行体绘制系统，该系统由一个主节点和 若干从节点构成，主节点和从节点均采用普通PC机，节点间通过局域网连接；该并行体绘 制系统借助基于扫描线及负载均衡原则的任务划分方法和基于AIAMD思想的自适应帧率 控制策略，在保证可视化图像质量品质的前提下，进一步提高节点间的负载均衡性及绘制 速度。具体包括以下步骤(1)启动主节点作为服务器端，以监听从从节点作为客户端的连接请求，启动从节点作 为客户端；(2)处理从节点的动态加入及退出请求；(3)主节点接收用户交互操作，取得视点、模型位置和/或视线方向信息，计算绘制参数；(4)主节点根据第C3)步获得的绘制参数及各从节点上一帧的绘制时间、数据场可视 化所需进行的扫描线数量、及各从节点上一帧的绘制时间，重新为各从节点分配绘制任务， 所述绘制任务为下一帧所需计算的扫描线数量和序号，并分发给各个已连接的从节点；(5)主节点更新与各从节点相关的AIAMD时间预测模型参数；(6)主节点计算各从节点下一帧绘制的开始时刻，并分发给各从节点，各从节点根据所 述开始时刻控制本节点的绘制帧频；(7)各从节点根据扫描线任务划分并依据错切变形算法进行局部扫描线的可视化计 算，形成局部图像，并将局部图像数据传给主节点；(8)主节点按扫描线序合并各从节点局部图像数据，合成最终图像并输出。
2.根据权利要求1所述的基于错切变形的并行体绘制方法，其特征在于所述步骤(5) 中的AIAMD时间预测参数更新为自适应动态更新，具体包括(5. 1)主节点接收到各从节发送来的每帧绘制信息，包括第i节点在第j帧的绘制时间RTi(j)，i = l，2，…，N，j = l，2，…；第土节点在第」帧的数据传送时间31\(力，1 = 1，2，…，N，j = l，2，…；同时计算得到第i节点第j帧绘制任务完成的总时间TTi (j) = RTi (j)+STi(J), i = 1，2，...，N，j = l，2，…；从而求得当前帧的所有节点总时间中的最大的总时间TTmax U) = max{77； (7)}，i = 1，2，...，N，j = 1，2，...；I(5. 2)根据相邻两帧时间信息之间的变化情况对第j帧采用的时间预测参数α j, β j 进行取值范围界定，分四种情况情况 1 ；TTmax(J) < TTmax (j-Ι)，则 α j < 0 ； β j = 1 情况 2 =TTfflax (j) = TTfflax (j-1)，则 α』=0 ； β』=1 情况 3:TTmax(j) > TTmax (j-1)且存在第 i 个节点 RTi (j) -RTi (j-1) > STi (j) -STi (j-1) 则 α j > 0 ； β j > 1 情况 3:TTmax(j) > TTmax (j-1)且存在第 i 个节点 RTi (j) -RTi (j-1) < STi (j) -STi (j-1)则α」> 0 ； β」无约束 根据上述方法可以构造第j帧对应的α」、β j 二阶矩阵Y 广八=「R π τ .T2AJ)-b2AJ) =X2Xl(J) = [^j aJ.] (5. 3)构造第j帧对应的时间矩阵 ττ—(β ^ ^ Signiaj)‘构造第j帧对应的常数约束矩阵l32X1(j)，其中C = O. 001为固定常数 ~ TTmaxU) +C C-TTmaxUi(5.4)构造第j帧对应的关系约束函数T2X2(jU2X1(j) < Id2xi (j)，并在该约束条件下， 求解α j, β j使得目标函数最小，即min Z :T(j) = α j+β j · TTmax(J-I), j e {1,2, ...}由此α ρ 的自适应预测问题转化为在给定范围内求解最优a” ^值，使目标函数 最小的问题，即典型的线性规划问题，利用单纯形算法完成上述问题的求解；具体的步骤如 下1)设定α」、β」的取值范围，构造约束方程T2x2(jU2X1(j)彡Id2xi (j)，设定目标函数Z =(TTfflax(j)-[ α J+β j-TTfflax(j-1)]}2；2)W T2x2 (j) X2xi(J) ^b2xi(J)列出包含2个约束方程的系数矩阵；3)找出上述系数矩阵中2个线性独立的约束系数向量构成的基；4)根据第一个基找出对应的基变量；5)令系数矩阵中非基变量系数全为零，求出一个基可行解，同时得到第一个目标函数值；6)分析非基变量所在列的检验数，若还存在正检验数的非基变量，表示目标函数值可 能还有增加的可能，此时需要将某个非基变量与上次确定的某个基变量进行对换，以便求 出更优的目标函数值；7)选择具有最优值的检验数对应的非基变量记为X，作为新的基变量换入；8)确定需要从基中换出的变量，使之成为非基变量；9)重复步骤幻、6)、7)、8)，直至非基变量列的检验数中不存在正数为止；10)与最大的目标函数值对应的各决策变量值就是该线性规划问题的最优解。
3.根据权利要求1所述的基于错切变形的并行体绘制方法，其特征在于所述步骤(6) 中的各从节点根据所述开始时刻控制本节点的绘制帧频，具体为(6. 1)主节点将统计得到的TTmax(j)交与帧频管理器进行处理，以便得到下一帧的时 间块T(j+1)，并根据第j帧的时间信息动态预测第j+Ι帧的总的时间信息，其中α j, β j是 第j帧采用的自适应绘制时间预测参数，每帧动态调整，针对T(j+1)的预测，本发明分以下 三种情况加以处理情况1 当第j帧的总时间小于第j-ι帧时，采取加性减少策略温和地减少第j+Ι帧的 总时间T(j+1) =TTmax(J)-I QjI, j = 1,2,…为绘制帧号；情况2 当第j帧的总时间与第j_l帧的总时间相等时，当前参数不变，第j+Ι帧总时间保持不变；T(j+1) = TTmax(J), j = 1,2,…为绘制帧号；情况3 当第j帧的总时间大于第j_l帧的总时间时，如果绘制时间大于网络传送时 间，则采取加性增加的策略增加第j+Ι帧的总时间T(j+1) =TTmax(j) + |aj|，j = l，2，…为绘制帧号；如果网络传送时间大于绘制时间，则说明网络的负载量增加，采取了乘性增加的策略T(j+1) = β j · TTmax(J), j = 1,2,…为绘制帧号；(6. 2)各从节点收到第j+Ι帧的预测时间块后，根据第i节点的扫描线任务划分开始 基于错切变形的可视化计算，同时统计第i节点第j+Ι帧的绘制时间RTi (j+Ι)及传送时间 STjj+l)，计算j+Ι帧实际花费的总时间TTi (j+Ι)并与主节点设定的总时间T (j+1)比较， 如果TTi(j+l)彡T (j+1)，则立即转入下一帧的绘制工作；反之，如果TTi (j+1) <T(j+l)，休 眠到T(j+1)时间块满，然后转入下一帧的绘制工作。
全文摘要
一种基于错切变形的并行体绘制系统，其特点在于针对大规模数据场的数据可视化应用需求，以速度最快的错切变形(Shear-Warp)体绘制算法为基础，构造分布式的并行可视化系统，借助本发明提出的基于扫描线及负载均衡原则的任务划分方法和基于AIAMD思想的自适应帧率控制策略，在保证可视化图像质量品质的前提下，进一步提高了节点间的负载均衡性及绘制速度。
文档编号G06T15/08GK102034263SQ20101053526
公开日2011年4月27日 申请日期2010年11月3日 优先权日2010年11月3日
发明者何兵, 吉志峰, 王莉莉, 赵沁平, 郝爱民 申请人:北京航空航天大学