论文部分内容阅读
数字地球应用领域的扩大使得人们对各类空间数据所表达信息量的要求不断提高，―智慧城市‖概念的提出使得虚拟城市建筑物模型数据成为数字地球中另外一种重要的空间数据。另一方面，现代图形硬件强大的并行计算能力已经逐渐应用到各类图形或非图形问题中，实现了这些程序的GPU加速。针对上述研究背景，本文从数字地球的角度出发，以GPU加速为理论与技术的基础，以大规模城市建筑物模型高效三维可视化为目标，探讨利用GPU并行运算实现这些模型数据在网络环境下可视化若干过程的加速，这些过程包括了大规模建筑物模型的数据调度、层次细节与真实感显示等阶段，提高这些阶段原有CPU方法的效率，增强数字地球系统对建筑物模型三维可视化的支持。纵观全文，本文主要贡献如下：1.提出对大规模城市建筑物模型矢量分布数据建立基于R树与其变种的空间索引来服务建筑物模型数据的调度，在此基础上利用CUDA实现了R+树空间查询的加速，并提出了一种空间查询的双重加速算法，该算法将视锥范围分割后映射到CUDA架构的线程块上，将R+树每个实体映射到单个线程上，大大缩短了数据调度程序运行的时间。2.在前人研究工作的基础上，首先利用建筑物模型自身的空间格局和语义关系，将简化的建筑物模型形成的层级数据预存入CPU内存中，提出了一种基于视点移动的高效动态CPU-GPU传输方法，接着利用可编程着色器对GPU显存中被传入的建筑物层次数据进行并行地修改，并实时地渲染相应层次细节的建筑物模型，实现了大规模城市建筑物层次细节机制的GPU加速。3.利用可编程管线中的像素着色器将光照模型中Phong算法由传统方法顶点的并行运算转移到像素级别，增强了Phong光照模型着色效果。提出利用可几何着色器对阴影体的确定进行GPU加速，并利用图形硬件实现遮挡查询，对是否绘制某场景结点产生阴影体的判断进行加速，提高了阴影绘制的效率。本文对各个阶段GPU加速的算法效率都进行了实验验证，实验表明本文方法是可行并且是高效的，满足基于数字地球的大规模城市建筑物模型的三维可视化，为增强新一代数字地球产品提供技术支撑。