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随着科学计算、巨型几何场景绘制以及虚拟现实领域绘制数据规模不断增大,对计算机图形系统绘制速度和真实感两方面的绘制能力提出更严峻的挑战,也对图形的分辨率和细节显示技术提出更高要求。为解决这一难题,基于图形集群硬件平台构建并行图形绘制系统来驱动多屏拼接显示墙技术已成为计算机图形学领域热门研究课题。以往并行图形绘制领域出现的均是支持OpenGL的并行绘制系统,而支持Direct3D的并行图形绘制系统研究还基本处于空白。随着Direct3D的迅猛发展和计算机图形系统对提高并行绘制技术的迫切需求,支持Direct3D的并行图形绘制系统研究亟待解决。本文在系统研究Direct3D9图形库特征(包括基于组件对象模型绘制接口,基于多流场景组织模式和系统内存、AGP内存、图形卡内存三种存储方式)的基础上,首次创新性地提出基于图形集群支持Direct3D9应用程序透明并行化的技术,亦即单机Direct3D9应用程序不需要任何修改实时转换为图形集群并行绘制。完成一个支持Direct3D9应用程序透明并行化的并行图形绘制系统D3DPR,主要创新内容如下:1.提出D3DPR系统的绘制资源定义和透明并行化策略。D3DPR系统的绘制资源定义为Direct3D9应用程序使用的所有顶点缓冲器的顶点流、索引缓冲器的索引流、纹理内存的纹理流、顶点着色器、像素着色器和应用程序调用绘制接口方法形成的命令流,它们完整描述Direct3D9应用程序的场景数据和绘制状态信息。D3DPR系统通过绘制资源截取和绘制资源重构技术实现Direct3D9应用程序透明并行化。2.提出D3DPR系统的逻辑结构和实现结构。D3DPR系统的逻辑结构将图形集群划分为资源分配和资源绘制两类节点,资源分配节点包括绘制资源截取、绘制资源分布和绘制资源发送功能模块;资源绘制节点包括绘制资源接受、绘制资源重构、绘制任务分布、绘制接口方法执行以及几何和色彩校正功能模块。D3DPR系统的实现结构研究逻辑结构中各个功能模块的实现原理和技术。资源分配节点通过DPGL并行图形库将Direct3D9应用程序转换为绘制资源和描述信息;资源绘制节点根据接受的绘制资源和描述信息不断地重构出COM的绘制接口方法;系统通过MPI组内广播集合通信方式实现网络传输;结合共享内存映射文件技术和消息机制以及MPI的阻塞函数实现系统同步;系统通过重新映射技术集成几何和色彩校正结果数据。3.提出基于多流场景数据组织模式的任务分布策略。它本质上是根据多屏拼接显示墙屏幕空间的固定划分,将表示顶点缓冲器和索引缓冲器绘制接口的多流模式场景数据进行重新分布。重点研究绘制任务分布策略架构的三个关键步骤:顶点缓冲器和索引缓冲器解析、索引缓冲器拆分以及新索引缓冲器和顶点缓冲器匹配。4.提出支持Shader的Direct3D9应用程序透明并行化技术,使D3DPR充分集成图形集群各个节点的GPU可编程功能。Shader使用绘制效果Effects框架,实现技术包括扩展绘制资源、并行绘制过程、Shader的截取与重构以及寄存器输入截取与重构。最后,通过测试用例对D3DPR系统进行整体测试与分析。实验证明,D3DPR系统基于图形集群可以很好地实现支持固定流水线和支持Shader的Direct3D9应用程序透明并行化,实现大屏幕多屏拼接显示,同时绘制效率得到很大程度提高。