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基于GPU的真实感图形实时绘制技术研究
摘要
随着计算机硬件和图形技术的发展，真实感图形越来越受到关注。利用GPU的并行计算能力，实现真实感图形实时绘制成为当前研究热点。本文介绍了真实感图形的基本概念，重点分析了基于GPU的实时绘制技术的研究现状、优点和挑战，以及相关算法。最后提出了未来研究方向。
1.引言
真实感图形在多媒体、游戏、仪器等领域都有很广泛的应用，不仅可以提高用户的体验，还可以在工业制造、科学可视化等领域中发挥重要作用。在真实感图形的创建过程中，实时性是非常关键的。基于GPU的实时绘制技术因其并行计算能力和高帧率的特点，成为当前研究热点。本文将重点介绍基于GPU的真实感图形实时绘制技术的研究现状、优点和挑战，以及相关算法。
2.真实感图形基础概念
真实感图形是指通过计算机生成的图像，可以让人感觉到和实际物体类似的视觉效果。与传统的计算机图形不同，真实感图形可以表现出光的折射、反射、散射、阴影等物理特性，许多视觉效果都可以通过逼真的渲染算法来实现。真实感图形创建的核心是渲染算法，其核心思想是在数学上模拟出物体、光线、表面材料等物理特性，再通过光线追踪等方法计算出每个像素的颜色、亮度等信息，最后绘制成图像。
3.基于GPU的真实感图形实时绘制技术研究现状
随着计算机硬件和图形技术的发展，GPU的并行计算能力得到了进一步提升。基于GPU的真实感图形实时绘制技术因其高帧率、低延迟等优点，逐渐成为当前研究热点。国内外许多团队都在这方面进行了深入研究。下面介绍几个代表性的研究成果。
3.1极端光线追踪算法
极端光线追踪算法(ExtremeRayTracing，XRT)是来自美国英伟达公司的一种基于GPU并行计算的真实感渲染技术。它通过大量利用显卡中的纹理单元，加快了光线计算速度，大大提升了绘制速度。XRT技术不仅可以用于实时绘制，还可以用于高品质离线渲染。
3.2RTRT
Real-TimeRayTracing(RTRT)是Intel公司推出的一种基于GPU并行计算的渲染技术。RTRT技术通过多个步骤来进行光线计算，包括逐像素的光线投射、包围盒层次结构优化、分布式光线追踪等若干算法。RTRT渲染的结果非常逼真，并且速度较快，在实际游戏中得到了广泛应用。
3.3光线追踪
光线追踪(RayTracing)是一种基于物理光学原理进行绘制的渲染技术，通过逐个像素的计算光线与场景中物体之间的相互作用来达到真实的光照效果。与传统图形渲染不同，光线追踪不需要预先设定光源，而且可以达到非常逼真的效果。光线追踪目前已经成为真实感图形的重要算法之一。
4.基于GPU的真实感图形实时绘制技术的优点和挑战
4.1优点
-并行计算能力强。GPU具有大规模并行计算能力，可以同时处理多个像素的渲染过程，大大提高了渲染效率；
-实时性强。GPU的高帧率、低延迟等特点，可以在实时绘制场景时达到非常流畅的效果；
-部分计算与CPU分离。很多基础渲染操作可以通过GPU完成，减轻了CPU的负担，提高了系统整体性能；
-支持多种算法和效果。GPU的硬件架构适合支持各种图形算法和特效效果的实现。
4.2挑战
-计算量大。真实感图形的创建需要进行复杂的物理模拟和计算，需要大量的计算资源支持；
-算法难度大。真实感图形的创建中需要调整各种物理参数和算法参数，需要对各种算法有比较深入的了解和掌握；
-数据传输量大。GPU的渲染过程需要进行很多数据传输和通信，与CPU之间的数据交互也需要一定的时间和带宽；
-设计难度大。真实感图形的设计需要结合物体、光源、环境等多方面的因素，需要有较强的视觉能力和综合能力。
5.基于GPU的真实感图形实时绘制技术相关算法
5.1光线追踪算法
光线追踪算法是基于物理光学原理的计算过程，在计算中会发射光线，与场景中的物体相交，并计算颜色等属性。在基于GPU的实时绘制中，光线追踪算法具有较高的实时性，但需要处理大量的光线和物体。
5.2光栅化算法
光栅化算法是采用逐个像素处理的方式，将三角形的顶点坐标映射到屏幕像素，然后插值得出各个像素的颜色值。由于光栅化算法具有并行化优势，因此在基于GPU的实时绘制中也得到了广泛应用。
5.3多重散射算法
多重散射算法是模拟光线多次散射和透射过程的算法，可以用于模拟真实环境中的光传播情况，从而达到真实感渲染的效果。多重散射算法主要适用于渲染物质比较密集、表面比较粗糙的场景。
6.未来研究方向
-提高算法效率和速度。将现有基于CPU的算法有效转移或适应于GPU并行计算，提高了算法的效率和速度，进一步提高渲染图形的效果；
-开发更合适的算法和技术。发掘适合GPU渲染的算法和技术，减少计算量的难度和计算时间，提升渲染的效益；
-加强GPU与CPU的协同工作。结合CPU和GPU的优势，加强二者之间的协同工作，优化系统设计