[发明专利]一种光线投射多核并行体绘制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种科学计算可视化处理方法，尤其涉及的是一种基于CellB.E.体系架构的光线投射并行体绘制方法改进。 

背景技术

以体绘制技术为代表的科学可视化技术把抽象的数据变换成易于被人接受和理解的直观形式——图形，为理解、发现科学计算过程中的各种现象、规律提供了有力工具。科学计算可视化的应用领域十分广泛，几乎涉及一切自然学科和工程领域，其主要应用领域有医学、分子模型构造、工业无损探伤、考古学、地质勘探、气象学、计算流体力学和有限元分析等。 

此外，科学计算可视化还可应用于空间探测、天体物理、数学领域等领域。体绘制技术能产生三维数据场的整体图像，包含数据场的大量细节，绘制高质量的图像；但它涉及的数据量较多，计算量较大，因而绘制时间较长。随着应用领域的发展，在数据规模急剧扩大，绘制精度急剧增加的情况下，如何满足研究者对绘制速度的需求已经成为亟需解决的问题。 

相对于足迹算法、体元投影算法等其他体绘制算法而言，光线投射体绘制方法能绘制出具有更高质量、体现更多内部细节的图像，是最基本、最常用的体绘制算法。其基本原理是根据视觉成像原理，构造出理想化的物理视觉模型，即将每个体素都看成为能够透射、发射和反射光线的粒子，然后根据光照模型或明暗模型，依据体素的介质特性得到它们的颜色和不透明度，并沿着视线观察方向积分，最后在屏幕图像平面上形成具有半透明效果的图像。由于绘制速度的原因，对于大部分使用者，光线投射体绘  制方法被局限于处理较小规模的数据集。 

光线投射体绘制方法的绘制处理非常耗时，主要有以下两个原因。 

一是，光线投射体绘制方法需要对屏幕上的每一个像素进行绘制计算，每个像素的绘制计算包括采样、插值、明暗计算和颜色合成等费时计算；当观察方向发生变化时，数据场中的采样点之间的前后关系也发生变化，屏幕上的全部像素都要进行重新绘制，因此计算量极为庞大。 

二是，光线投射体绘制方法在对体数据进行绘制时，需要从不同的视角对体数据进行绘制，沿着不同方向的视线进行光线投射、采样、插值等；在对采样点进行三次线性插值时，需要读取不连续的体元数据，因此就整体而言，对体元数据的读取是没有固定规律的，由于大量不规则访存的存在，导致访存缺少明显的局部性，在普通平台上运行时Cache、TLB等命中率极低，从而导致访存效率低下，最终导致整体性能不高。 

光线投射体绘制方法拥有计算量巨大和访存不规则等显著特点，在普通平台上无法满足医疗、工业等交互式应用的速度需求。同时，专用图形工作站等平台具有价格昂贵等劣势而无法普及使用，而随着Xeon、Opetron、Cell BE等多核处理器成为一种发展趋势，充分利用多核处理器的强大计算能力以满足应用的需求，成为体绘制技术发展和推广的一个机会。 

IBM、Sony和Toshiba联合开发的Cell Broadband Engine(Cell B.E.)处理器是异构多核处理器中的典型代表。Cell B.E.处理器包括一个基于PowerPC架构的控制处理单元(Power Processing Element，PPE)，八个基于SIMD结构的协处理器单元(Synergistic Processing Elements，SPE)，以及用于连接PPE、SPE和输入输出单元的高速环形数据总线(Element InterconnectBus，EIB)。PPE和SPE均为RISC结构，指令字长为32位，寻址空间为64位。Cell B.E.处理器的逻辑结构图如图1所示。PPE是一个简化的64位Power结构处理器，PPE主要负责操作系统的运行和程序的控制，包括对SPE线程的管理。SPE是一个独特的双发射向量处理器，它拥有128位向  量处理单元(SPU)，包含128个128位寄存器，有256KB的本地存储器(Local Store，LS)，以及负责LS和主存之间DMA数据传输的存储控制器(Memory Flow Control，MFC)，SPE的逻辑结构图如图2所示。 

与Intel Xeon、AMD Opetron等同构多核处理器相比，Cell B.E.处理器有着独特的异构体系结构、强大的计算能力和高速的内部通信网络。CellB.E处理器的异构多核架构和强大计算能力在一定程度上能满足体绘制技术的计算量需求。其高速通信功能和独特的访存方式，结合软件Cache、预取、渗透和多缓冲区等软件技术，为解决访存问题提供了契机。