[发明专利]一种批量三维态势目标尾迹实时绘制方法和系统

说明书

本发明公开了一种批量三维态势目标尾迹实时绘制方法和系统，主要针对战场环境模拟仿真系统中实时态势不断产生的大量尾迹点数据，通过CPU过滤出需要显示尾迹的目标，利用多线程技术将若干渲染对象拼接、合并成尽量少的渲染批次，再通过GPU将尾迹点扩展成飘带形状并进行视觉效果调整，最终渲染到屏幕上。本发明可实现大批量态势尾迹数据的实时三维渲染，视觉效果为具有头尾颜色和宽度渐变效果的飘带形状。与直接使用渲染引擎相比，显著提升了实时渲染效率，使指控系统用户感知海量态势运行轨迹与特征的过程更为流畅。

技术领域

本发明属于计算机图形学领域，特别针对战场环境模拟仿真系统中，实时态势目标产生的尾迹过多影响用户交互体验而提出的一种新的批量三维态势目标尾迹实时绘制绘制方法和系统。

背景技术

新一代战场环境模拟仿真系统对三维数字地球中目标态势显示的承载量要求越来越高。目标尾迹作为态势信息组成部分，具有感知目标运动状态、回溯目标运行轨迹、预测目标行动意图等功能，在快速目标识别中起到关键作用，同样具备三维实时绘制需求。三维场景中对目标尾迹常用飘带方式展示，要求根据目标运动轨迹结合姿态进行一定的扩展为条带状，能够反映目标的运动轨迹和姿态，且能够远距离观察时保持像素宽度，同时能够进行头部虚化、尾部虚化显示以模拟真实情况，三维尾迹为了保证平滑，三角面相对一般图元较多且顶点会频繁更改，当态势目标超过一定数量时，将带给图形硬件极大的渲染开销，造成系统卡顿和低帧率，影响用户的交互体验。

使用三维渲染引擎创建三角面并实时动态增加、删除点的方式效率很低。由于尾迹需要频繁推送位置点的特殊性(为保证相机跟随状态下尾迹的平滑，需要每一帧都推点)，每更改一处顶点都涉及对象的整体重构，即使将重构过程放在线程中进行，当目标数量多时仍然无法满足系统流畅运行。通过图形性能分析工具分析发现，海量目标态势情况下长期处于CPU密集型的工作状态，当目标数量达到一定数量时，GPU的资源利用率明显低于CPU，CPU占有率峰值达到90％以上，这说明每一帧中三维渲染消耗了大量的CPU资源，现有CPU资源无法承载该数量级计算量。

硬件实例化(Instance)技术发掘了GPU在处理高重复性计算时的优势，优化了因CPU和GPU之间计算资源分配不平衡造成的效率低下问题。使用Instance技术进行尾迹渲染，可将类似矩阵换算、三角面扩展和色彩计算等高同质性计算放在Shader里完成，可显著提升效率。但由于每个批次(一次渲染调用)都会消耗一定的CPU和GPU时间，当需要显示的态势目标达到更大的数量级时，两个处理器运算量都会达到饱和，系统性能将再次达到瓶颈。

对于现代高性能显卡而言，一个批次里的多边形数量远达不到最大绘制数量，它对于多批次小目标的渲染效率要远远高于少批次大目标的效率，因此在平衡多线程计算资源和CPU、GPU计算资源条件下，尽可能将更多的多边形放在同一批中渲染，以减少批次数量，可以达到进一步提升渲染效率的目的。

综上所述，迫切需要一种能够突破现有性能瓶颈，在态势目标达到更大数量级时，针对具有高复杂度、频繁重构特征的图元，依然具备高性能的三维图形渲染方法。

发明内容

发明目的：针对目前战场环境模拟仿真系统中态势尾迹数据达到一定数量级后系统卡顿、显示帧率低和交互反应慢等问题，提出一种基于渲染批次合并思想、多线程技术和可编程管线技术的批量三维态势尾迹实时绘制方法和系统，显著提升三维尾迹实时绘制性能，优化交互体验，提高系统对于海量态势信息的动态承载量。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种批量三维态势目标尾迹实时绘制方法，包括如下步骤：

(1)在CPU主线程中裁剪掉不需要显示的尾迹对象，将过滤得到的需要绘制的尾迹对象依次填满容量固定的单批次渲染列表中，并向辅助线程发出处理请求；