[发明专利]一种多通道的分布式绘制系统与方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机图形虚拟仿真应用领域，尤其涉及一种多通道的分布式绘制系统与方法。

背景技术

基于三维场景实时渲染的多通道系统能够提供一种沉浸式虚拟现实与仿真显示环境。基于三维场景实时渲染的多通道系统是由一组单通道的显示系统拼接或组合而成的多通道超宽比例的特殊显示系统。根据需要显示的场景以及所涉及的领域和应用的不同，通常将多通道系统的多投影面间的弧度划分为120、135、180、240、270、360度不等。由于多通道系统的屏幕显示面积巨大，通常将多通道系统用于一些大型的虚拟仿真应用领域，近年来开始向展览展示、工业设计、教育培训、会议中心等专业领域发展。

按照三维场景实时渲染多通道系统的应用，可以将其分为两个方面：一方面是使用单通道小幅场景，产生大尺寸、高分辨率的视觉效果；另一方面用于同时从不同角度的多个视点观测整个场景。这种特殊的多通道视觉系统不仅具有单通道显示系统所不具备的极强的视觉冲击力和震撼力，而且可以让用户同时获得视景的全方位信息，将信息传递能力提高到一个崭新的水平。它的应用领域相当广泛，同时造价也很昂贵。基于PC集群的三维并行绘制技术让以上两种应用的低成本实现成为可能，它可以通过多个联网PC并行绘制三维场景，并从多个通道输出场景，实现了三维场景多通道实时渲染。

此外，随着应用领域的不断拓宽，三维场景的复杂程度越来越高，三维绘制的实时性，流畅性要求也越来越高，场景优化就逐渐成为系统性能提高的手段和人们研究的热点。只有采用得当、高效的优化方法才能让三维场景的绘制更迅速，画面更流畅，才有可能将大型的复杂的三维场景应用到多通道实时渲染上。场景优化对系统性能的影响体现在：绘制帧率、系统的扩展性以及系统应用的广泛性上。

基于PC集群的三维并行绘制系统类型有很多，不同类型的并行图形绘制系统的运行机制和功能侧重点各不相同，在不同的应用环境下系统性能差异很大，并具有明显的个体特征。

目前，较好地实现了大尺寸、高分辨率三维场景显示的并行绘制系统有WireGL、AnyGL等。它们的系统架构为：客户机/服务器(Client/Server)，拥有一个客户机和多个服务器。客户机安装有应用程序模块(包括经修改的OpenGL库和应用程序)，不负责绘制和显示。修改的OpenGL库截获OpenGL流并打包，然后发送到根据计算分配的服务器上。服务器只负责接收OpenGL流包并进行绘制和显示。这种方法的局限性在于摄像机的拍摄角度始终不能改变，不能实现场景的多角度、全方位观测。

另一种可以同时实现多角度观测三维场景的并行绘制系统为Display Wall，它采用保留模式，系统架构为：主机/从机(Master/Slave)，拥有一个Master和多个Slave。Master和Slave都部署有几乎相同的应用程序模块，Master需要设置通道参数并将此参数的相关信息和人机交互中场景的变化信息发送至多个Slave；Slave根据接收到的信息，改变摄像机位置以及虚拟运动对象的位置及属性。Master和Slave通过同步执行应用程序绘制显示场景实现并行绘制。这种方法的局限性在于绘制数据来自本地，导致应用程序、数据信息的更新及移植等难以实现。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的局限性，采用客户机/服务器架构的系统设计，其中，客户机采用多进程共享虚拟三维场景数据方式，通过提取并打包各进程的OpenGL绘制命令并分别发送给对应的服务器的方法实现分布式并行绘制。

为了实现上述目的，本发明提出一种多通道的分布式绘制系统。该系统包括一台客户机、一台或多台服务器、一台或多台显示设备以及将它们连接起来的网络。客户机和每台服务器都安装有支持OpenGL库的图形适配器，客户机和每台服务器各自运行相应的软件，每台服务器连接显示器或投影等显示设备。

客户机中包含两类模块：一个客户机端控制程序模块和若干个客户机端应用程序模块。其中，客户机端控制程序模块中包含控制程序、共享内存区域和虚拟三维场景数据；客户机端的每个应用程序模块中都包含一个修改的OpenGL库和一个应用程序，该应用程序能够调用这个修改的OpenGL库。

每个服务器中都包含一个服务器端应用程序模块，每个服务器端应用程序模块又包含四个子模块：通讯子模块、控制子模块、输入子模块和显示子模块。系统各部分关系如下：