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基于分布式存储的大规模场景并行光路追踪方法

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基于分布式存储的大规模场景并行光路追踪方法

作者：李壮山东大学

学位级别：硕士

数字创意产业是现代信息技术与文化创意、设计服务逐渐融合后的新兴经济形态,被国家列为重点培育的五大战略性新兴产业之一。图像渲染是数字创意产业的关键支撑技术之一,也是最耗时的环节。真实感渲染由于需要处理复杂的光照模型,渲染... 详细信息

数字创意产业是现代信息技术与文化创意、设计服务逐渐融合后的新兴经济形态,被国家列为重点培育的五大战略性新兴产业之一。图像渲染是数字创意产业的关键支撑技术之一,也是最耗时的环节。真实感渲染由于需要处理复杂的光照模型,渲染一幅图片需要数小时的时间,而完成一部动漫作品的时间将达到千万小时。随着产业的发展,用于渲染的场景的复杂度越来越高,渲染结果要求的精细度也在提高。如何充分利用现有的数字仿真成果和计算机的计算能力,更好更快地得到渲染结果,已经成为高度真实感渲染领域的迫切需求。超级计算机是具有远超个人电脑计算能力的一种计算机,超级计算机已经广泛应用于需要大量计算的科研、国防和商业领域。利用超级计算机对渲染应用进行并行加速,是一个研究方向,由于渲染计算兼具计算量高数据量大的特点,在超级计算机上进行渲染研究也具有很大的挑战。本文的研究和开发就是在神威·太湖之光超级计算机上进行的。高真实感的渲染结果和宏大的视觉效果,对场景建模精度和场景规模的要求也在提高。光路追踪算法需要将场景数据全部加载到内存才能进行光线和场景中物体的求交检测,日益增长的模型复杂度对实现高效可扩展的光路追踪算法带来挑战。为解决这一问题,基于内外存调度的光路追踪和基于分布式内存的光路追踪方法被提出。其中,内外存调度通过将绘制要用到的局部数据从外存加载到内存,通过内外存数据交换来实现复杂模型的渲染,存在数据局部性和存储层次传输带宽的瓶颈,扩展性不足;分布式内存光路追踪方法通过将场景数据分布式存储到不同节点的内存,从而实现大规模场景的绘制。这两类方法目标均是在提高计算资源的利用率的同时,提升数据的局部化,从而提高并行效率。目前,如何在减少数据获取开销的同时,保证光线计算任务的负载均衡,依然是一个具有挑战的问题。本文基于神威·太湖之光高性能计算机,提出基于分布式内存系统的大规模场景并行光路追踪方法,通过高效的场景划分方式,将场景的几何数据分散到多个节点进行存储,并基于分布式存储场景实现并行光照计算。本文提出四种场景划分和分布式存储发方法,包括场景随机化划分和存储方法、基于场景几何对象大小的均衡场景划分的存储方法、基于莫顿码的场景分散划分和存储方法、基于莫顿码的场景集中划分和存储方法,并比较了四种分布式存储场景的光路追踪并行效率。此外,本文利用非阻塞通信和双缓冲策略对各个节点间的通信进行了优化,从而在保证光路追踪算法强扩展性的同时,提升算法弱扩展性。实验结果表明,本文方法可以有效渲染100GB以上的超大规模场景,在30万核下,相对于5万核,程序整体的并行效率可达50%以上。四种划分存储方法中,基于莫顿码的场景集中划分和存储方法光路追踪用时最少,基于文件大小的划分存储方法读取文件和建树所用时间最少。本文的方法在场景数据规模和光线计算任务并行两方面,都具有良好的扩展性。本文的创新主要是将莫顿编码与几何模型划分相结合,提出基于莫顿码的场景几何集中划分方法,提升了构建的KD的质量,减少了光路追踪求交计算的时间。

关键词：光路追踪渲染超级计算机分布式内存并行

面向神威太湖之光的并行光路追踪绘制引擎的实现

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面向神威太湖之光的并行光路追踪绘制引擎的实现

作者：马洪阳山东大学

学位级别：硕士

数字媒体产业被认为是数字技术和文化娱乐产业相融合而产生的内容创新型产业[11,进入21世纪以来发展尤其迅速,已经在高性能计算领域逐步成为最活跃的应用之一,拥有大量用户,同时数字媒体产业也是我国近些年来大力发展的战略性新兴产业... 详细信息

数字媒体产业被认为是数字技术和文化娱乐产业相融合而产生的内容创新型产业[11,进入21世纪以来发展尤其迅速,已经在高性能计算领域逐步成为最活跃的应用之一,拥有大量用户,同时数字媒体产业也是我国近些年来大力发展的战略性新兴产业。随着国家文化产业的快速发展,文化创意产业对影像呈现精度、质量和规模的需求越来越高,其大规模计算任务和数据存储需求给数字媒体真实感渲染与视觉特效仿真提出新的挑战。自2009年,我国首台P级超级计算机研制成功以来,我国高性能计算技术快速发展,目前高性能计算机的计算能力已从P级跨入了 E级计算时代,计算和存储能力均达到新的高度,超级计算机的计算核心数目也从几十万个扩展到几百万个。通常高性能计算机主要运用于需要大量运算的工作,譬如天气预测、气候研究、地震模拟、分子模型、密码分析等。使用高性能计算机来进行高度真实感渲染的尝试并不是很多,而且国内外针对高性能计算机的数字媒体高度真实感渲染应用也不成熟,因此基于国产高性能计算机开发一套功能全面的、稳定可靠的真实感渲染系统有很高的应用价值,而如何充分利用E级计算时代的高性能计算能力满足大规模高度真实感渲染需求是本项目解决的关键问题。目前大部分渲染系统实现并行渲染都是基于GPU实现的,本文基于国产CPU异构众核架构实现并行渲染,能够推动国产高性能计算机在图形渲染领域的应用,同时推动我国在数字媒体领域的研究和应用达到国际先进水平。本文所做的工作为国家重点专项《数字媒体高真实感并行渲染关键技术与高性能应用软件系统》的一部分,本文主要针对国产高性能计算机——神威太湖之光,研发并部署一个高并行效率的高度真实感渲染引擎,使其能够在高性能计算机上取得良好的并行效率。本文的主要工作包括以下几个方面:首先对场景文件进行处理,包括定义场景文件规范以及场景文件加载,本文使用XSD对场景文件中的元素数据类型和属性进行定义,使用Xerces-C++解析场景文件将场景文件中的场景信息加载进内存。其次建立通信机制实现主从节点间的并行渲染。然后将场景任务划分分解,分发给各个子节点,从而实现负载均衡。建立三层调度机制,在第二层建立多个计算主节点,缓解第三层从节点与第一层主节点间的通讯压力。建立容错机制,主节点对从节点进行心跳监听,发现节点异常立即将其渲染任务转移至正常节点,保证渲染任务的正常进行。最后针对神威太湖之光国产高性能计算系统进行渲染引擎的部署测试工作。整个引擎的最终目标是能够高效稳定的运行在神威太湖之光国产高性能计算系统上,但是由于神威太湖之光使用国产处理器以及其特有的编译器,引擎的部署工作相对复杂。部署成功后还要做一些并行测试,使其最终在三十万核级别的并行效率超过60%。

关键词：国产高性能计算机光路追踪 MPI 负载均衡

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基于神威太湖之光的光路追踪众核加速方法

基于神威太湖之光的光路追踪众核加速方法

作者：邓二伟山东大学

学位级别：硕士

本文主要介绍了基于神威太湖之光异构众核架构的光路追踪加速方法,提出基于从核的光线与场景树求交的加速方法以及在超大规模场景下采用全片共享模式的加速绘制方法,并提出三级并行的光路追踪加速结构。针对分布式场景下多节点并行绘制... 详细信息

本文主要介绍了基于神威太湖之光异构众核架构的光路追踪加速方法,提出基于从核的光线与场景树求交的加速方法以及在超大规模场景下采用全片共享模式的加速绘制方法,并提出三级并行的光路追踪加速结构。针对分布式场景下多节点并行绘制出现的阴影消失的问题对引擎架构提出修改方案,并且在光路追踪流程的着色过程中提出光源采样光线遮挡判断的加速优化,以降低光路追踪的计算时间,从而提高整体的绘制效率。光路追踪流程中主要包含光线和场景求交运算和交点着色运算,二者占据了90%以上的时间。考虑到光路追踪流程的特点,文章将求交和着色在流程中进行分离,使得二者相互独立又相互联系。针对太湖之光众核结构提出了基于节点流和分布式光线求交两种光线遍历场景树并与几何基元相交计算的加速方法,并且对两种加速方法进行分析和对比,使得能够充分利用从核的计算能力提高光线求交的效率,而且利用太湖之光的主从异步模式能够将一大部分求交任务隐匿起来从而得到更高效率的求交效率。对于超大规模场景绘制,为充分利用核组的计算资源,采取节点内多核组并行的方式将计算任务进一步划分,并提出三级并行计算结构,进而提高整体的绘制效率。针对分布式场景绘制过程出现的阴影消失问题,提出对分布式场景渲染引擎的修改方案,并将光源采样光线的遮挡判断移植到从核中进一步提高着色效率。本文对各阶段的研究进行了测试,并针对测试结果进行分析和说明。在最终的测试环节中对不同的场景进行测试,并且针对不同的测试结果进行讨论,阐述不同结果出现的具体原因。

关键词：光路追踪太湖之光光线求交分布式并行

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共轴抛物镜线聚焦性能的2维分析

强激光与粒子束 2005年第12期17卷 1791-1793页

作者：李汉明李英骏中国矿业大学力学与建筑工程学院

掠入射泵浦方式作为一种全新的X射线激光泵浦方式,采用了共轴抛物镜作为线聚焦器件.利用2维光路追踪程序,计算了高斯光束从5°掠入射角增加到7°时入射到共轴抛物镜上的线聚焦效果.研究发现,掠入射角从5°增加到7°过程中,线聚焦的尺寸... 详细信息

掠入射泵浦方式作为一种全新的X射线激光泵浦方式,采用了共轴抛物镜作为线聚焦器件.利用2维光路追踪程序,计算了高斯光束从5°掠入射角增加到7°时入射到共轴抛物镜上的线聚焦效果.研究发现,掠入射角从5°增加到7°过程中,线聚焦的尺寸随着掠入射角变大,线聚焦长度从6 mm逐渐变长到12mm,线聚焦宽度从150μm变到40μm;掠入射角6.5°～7°可以实现符合实验要求的线聚焦效果,线聚焦尺寸约10 mm×20μm(最小线聚焦宽度),7°掠入射可以实现较好的线聚焦,基本满足实验的要求.

关键词： X射线激光共轴抛物镜掠入射线聚焦饱和输出光路追踪

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激光与靶耦合三维辐射流体力学计算的实现

激光与靶耦合三维辐射流体力学计算的实现

作者：黄卫国防科学技术大学

学位级别：硕士

激光与靶物理研究在惯性约束聚变(ICF)工作中占有重要的位置,它是间接驱动激光聚变的关键之一。它需要研究激光与靶耦合过程中许多复杂的非平衡现象,其中包括激光的传播与吸收,等离子体的流体力学运动,电子热传导和辐射输运等多种复杂... 详细信息

激光与靶物理研究在惯性约束聚变(ICF)工作中占有重要的位置,它是间接驱动激光聚变的关键之一。它需要研究激光与靶耦合过程中许多复杂的非平衡现象,其中包括激光的传播与吸收,等离子体的流体力学运动,电子热传导和辐射输运等多种复杂物理过程。为了描述这些过程,深入研究靶物理理论和物理规律,必须进行数值模拟。但是目前国内只有二维的辐射流体力学数值模拟程序,要想得到更精细的物理图象,发展三维的辐射流体模拟程序是必然的趋势。本文的主要工作就是对三维的数值离散计算方法进行研究,编制程序对一些物理模型进行计算。激光在等离子体的传播中光线的轨迹通常由三维光路方程组来确定。光路方程组的求解,我们采用了一种简单的Runge-Kutta方法,此方法的精度完全满足精度要求。由于等离子体中的原子过程是非平衡的,为了计算X光的发射,需要求解束缚电子占据概率速率方程组(P方程组)。国内外对于此方程组解法的研究比较多,我们主要给出了求解此方程组的隐式Euler方法,并对显式求解此方程组的可行性进行了对比分析。在三维等离子体流场复杂,网格变形大的背景下,着重描述了求解三维三温辐射流体力学方程组的连续迁移法,其主要特点是采用重新划分规则的网格来克服网格畸形的困难,从而方便迁移量的计算。该方法的引入使得三维流体计算中对于网格的处理以及程序的编制都大大简化。其中在求解三维三温辐射流体力学方程组中的能量方程时,其中通常的办法是用追赶迭代法求解,但是此方法在多维的方程求解过程中也不可避免小的时间步长。所以我们采用了一种求解析解的算法对三维三温能量方程求解,使得计算量大大减少。运用上述计算方法,我们编制了柱坐标下激光与靶耦合的三维三温辐射流体力学程序。为了检验程序的正确性,我们采用此程序对一维、二维和三维情况下激光与金靶耦合的一些物理现象进行了初步的数值模拟。模拟结果清楚的给出了激光与靶相互作用过程的合理的物理图像,证明了上述计算方法是有效的。

关键词：光路追踪三维三温辐射流体力学连续迁移法规则网格

基于高性能计算机的大规模场景镜头并行绘制方法

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基于高性能计算机的大规模场景镜头并行绘制方法

作者：张良凯山东大学

学位级别：硕士

数字创意产业是以现代信息技术为基础,将文化创意和设计服务融入其中的新兴产业,其主要的应用体现在虚拟现实、产品可视化、动漫和电影特效等方面。目前,数字创意产业的发展主要是向着更具真实感的方向发展,因此三维场景在规模上增长迅... 详细信息

数字创意产业是以现代信息技术为基础,将文化创意和设计服务融入其中的新兴产业,其主要的应用体现在虚拟现实、产品可视化、动漫和电影特效等方面。目前,数字创意产业的发展主要是向着更具真实感的方向发展,因此三维场景在规模上增长迅速,光照模型上更加贴近自然,由此造成场景的复杂度越来越大,场景数据的规模可能达到TB级别。这样的渲染对大规模场景数据的存储和视觉特效提出了新的要求。衡量高真实感渲染的两个重要指标分别是渲染质量和渲染速度,国际上对高真实感渲染研究也主要集中在这两个方面。在渲染质量上的研究主要集中在对物理光学的仿真模拟,由于全局光照模型精确地模拟场景中所有可能情况的光照,所以全局光照算法可以生成相片级别的真实感图像,是实现真实感绘制的核心。光路追踪是实现全局光照绘制的基本方法之一,可以计算大部分的全局光照效果,但是由于绘制算法计算量大,进行并行加速是必要的研究工作之一。同时,为了提升渲染质量和营造特效,对场景建模的细腻程度和场景规模也在不断扩大,而一般基于物理的高度真实感渲染中的全局光照计算需要使用整体场景数据,因此大规模场景的绘制会存在内存瓶颈问题。在渲染速度上,并行绘制是对高度真实感渲染的加速主要手段。目前,国内外的研究主要集中在基于GPU或英特尔集成众核架构上的并行绘制,缺乏对异构众核架构的普适处理,同时可扩展性比较低,能处理的场景规模比较受限,因此研究高效、可扩展的高度真实感并行渲染加速对于数字创意产业有重大意义。针对大规模场景镜头渲染存在的数据密集和计算密集两大难题,本文主要提出了多层级任务划分以及相应的多级任务调度,并根据连续帧渲染间任务的数据相关性作出优化,将场景镜头进行动静态划分,加速镜头渲染。本文采用分布式存储场景数据,将渲染计算任务多层级划分进行多级任务调度。同时为了充分利用神威·太湖之光的计算资源,采用平台特有的加速线程库进行计算加速。对于渲染镜头的连续帧之间,有静态场景数据每帧之间一致,因此根据这个特性对节点划分与加载场景数据进行优化。随着场景镜头规模的扩大,绘制的节点数增多,节点的稳定性随着时间开始下降,因此大规模场景镜头的并行渲染必然需要进行容错处理,需要对渲染结果正确性提供进一步保障。本文研究了相关容错处理,以期望在节点出错时发现错误,重启任务后能继续上一次任务进度。

关键词：神威·太湖之光镜头光路追踪任务调度容错处理

光线追踪法用于角膜屈光术后人工晶状体度数计算准确性分析

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中国实用眼科杂志 2018年第4期36卷 315-318页

作者：刘盛涛邹晶张小雪古学军南昌大学附属眼科医院白内障科江西南昌330006 南昌大学第二附属医院眼科

目的探讨光路追踪法对角膜屈光手术后人工晶状体(IOL)度数计算的准确性。方法回顾性病例研究。对20例(31只眼)角膜屈光手术后行白内障超声乳化吸除+人工晶状体植入术的患者进行回顾性研究,使用Scheimpfug相机,采用Placido角膜地形图仪(S... 详细信息

目的探讨光路追踪法对角膜屈光手术后人工晶状体(IOL)度数计算的准确性。方法回顾性病例研究。对20例(31只眼)角膜屈光手术后行白内障超声乳化吸除+人工晶状体植入术的患者进行回顾性研究,使用Scheimpfug相机,采用Placido角膜地形图仪(Sirius,天狼星;CSO)内部软件进行I0L度数计算,以I0L Master测量眼轴长度,并与Haigis-L公式计算结果相比较。以术后1个月实际屈光状态与预测屈光状态的误差得出预测误差,并分析其预测误差与绝对预测误差的平均值、标准差及分布。结果Haigis-L公式和光路追踪法的平均预测误差分别为(-0.65+0.46)D和(+0.19+0.34)D,平均绝对预测误差分别为(0.69+0.39)D和(0.30+0.25)D。绝对预测误差值+0.50D范围内分别为35.5%和83.9%,+1.00D范围内分别为83.9%和96.8%,两者比较差异有统计学意义(t=10.38,P光路追踪法可对角膜屈光手术后白内障患者进行较为准确的人工晶状体度数计算。与Haigis-L公式相比,光线追踪法计算结果术后屈光状态有偏正趋势。

关键词：光路追踪人工晶状体屈光力计算角膜屈光手术