Введение к работе
Актуальность проблемы. Тема диссертационной работы связана с исследованием и разработкой систем визуализации, обеспечивающих синтез изображений в реальном масштабе времени (РМВ). Интенсивное развитие алгоритмической базы компьютерной графики, развитие технологии СБИС и появление высокопроизводительных графических рабочих станций создали возможность широкого применения систем визуализации, работающих в РМВ, что подразумевает генерацию кадров с частотой 5-30 кадров в секунду. Это позволяет осуществлять плавное изменение реалистичного изображения сцены в соответствии с изменениями параметров обзора и динамикой объектов.
Основными проблемными областями, требующими визуализации в РМВ, являются тренажерные комплексы, комплексы систем автоматизированного проектирования, системы визуализации экспериментов, разработка видеорекламы и компьютерная мультипликация.
Однако для решения задач визуализации сложных реалистичных сцен, содержащих десятки и сотни тысяч элементарных фрагментов (графических примитивов), и моделирования условий освещенности, требуются огромные вычислительные затраты в сотни миллионов и миллиарды операций целочисленной и вещественной арифметики.
Выполнение такого объема вычислений в темпе генерации кадров изображения не может быть обеспечено центральным процессором системы, выполняющей прикладные задачи, которые требуют визуализации выводимых данных в РМВ.
Выходом из этой ситуации является использование специализированных графических акселераторов (ГА), выполняющих весь комплекс вычислений, связанных с геометрическими преобразованиями обзора, расчетом освещенности, растрированием и тонированием поверхностей объектов в соответствии с условиями освещенности.
Учитывая огромный объем необходимых вычислений, который нужно выполнять для генерации каждого кадра изображения, в ГА необходимо использование высокопроизводительных мультипроцессорных вычислительных структур, построенных на основе специализированных процессорных элементов (ПЭ), реализованных в виде СБИС.
Специфика обработки позволяет выделить в графическом акселераторе две основные подсистемы - геометрическую и растрирующую, для которых характерны различные требования к макроархитектуре подсистем и микроархитектуре ПЭ. Развитие международного процесса стандартизации графических систем поставило проблему соответствия функций ГА требованиям недавно принятых стандартов PHIGS+, РЄХ и OpenGL.
Малое число отечественных публикаций по этой тематике, ограничивающихся вопросами аппаратной поддержки отдельных этапов визуализации, реализация только двух систем визуализации в РМВ ("Аксай" и "Альбатрос" в ИАЭ СО РАН), обладающих ограниченными возможностями, делает актуальным задачу исследования и разработки основных подсис-
тем графических акселераторов рабочих станций на основе специализированных мультипроцессорных структур.
Целью диссертационной работы является разработка и анализ мультипроцессорных структур графических акселераторов, обеспечивающих синтез реалистичных изображений в РМВ и соответствующих функциональным требованиям международных графических стандартов.
В соответствии с этим сформулированы следующие основные направления исследований:
Исследование методов повышения производительности систем визуализации графических станций за счет использования параллельной обработки в специализированных мультипроцессорных акселераторах;
Разработка структур и методов оценки параметров мультипроцессорных геометрических подсистем;
Разработка структур и методов оценки параметров мультипроцессорных растрирующих подсистем на основе двух основных классов алгоритмов растрирования и удаления скрытых поверхностей;
Разработка специализированных апларатно-ориентированных алгоритмов, процессорных элементов и структур для преобразования,растрирования и тонирования графических примитивов вывода.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовался аппарат аналитической и дифференциальной геометрии, линейной алгебры, математического анализа, теории вероятностей, теории массового обслуживания, теории сетей Петри и теории графов.
Научная новизна определяется следующими основными научными результатами:
- Определены основные способы отображения функциональной, структурной и пространственной декомпозиции вычислительного процесса визуализации на специализированные мультипроцессорные структуры. Разработана детальная классификация возможных мультипроцессорных архитектур подсистем графического акселератора и определены реализуемые уровни параллелизма обработки;
Разработана общая методика проектирования подсистем графического акселератора, основой которой является разработка концептуально-логической и вычислительной модели подсистемы с учетом функциональных спецификаций международных графических стандартов PHIGS+/PE> и OpenGL с последующим отображением логических модулей на архитектуру устройств обработки;
В рамках детализации методики проектирования выполнена разработка и исследование конвейерных и параллельных мультипроцессорны> структур для геометрических подсистем, соответствующих спецификация», графических стандартов PHIGS+/PEX и OpenGL;
Разработаны основные концепции проектирования мультипроцессорных растрирующих подсистем, использующих в качестве базового алгоритм построчного сканирования, и аналогичных подсистем, базирующихся на использовании кадрового буфера;
Для всех разработанных вариантов мультипроцессорных архитектур подсистем графического акселератора определены требования к микроархитектуре и разработаны функциональные схемы и алгоритмы работь
процессорных элементов.
- Разработан новый аппаратно-ориентированный класс лекальных
кривых, формируемый рекурсивной вычислительной структурой на основе
конических и линейных интерполяторов, обеспечивающей непосредствен
ное аппаратное растрирование и тонирование криволинейных фрагментов
поверхности.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Разработаны и исследованы способы аппаратной реализации функциональных спецификаций международных графических стандартов PHI6S+/PEX и OpenGL в процессе проектирования графического акселератора:
Разработаны базовые операторные модели, являющиеся основой для отображения стандартизованных функций обработки и управления на отдельные процессорные элементы и мультипроцессорные структуры в подсистемах графического акселератора;
Разработаны методы оценки производительности, балансировки загрузки и определены требования к микроархитектуре процессорных элементов мультипроцессорных геометрических подсистем;
Разработаны структуры, алгоритмы работы и исследованы основные характеристики РПС на основе мультипроцессорных архитектур иерархического и систолического типа, а также объектно-ориентированной архитектуры;
Разработаны рекомендации по разработке мультипроцессорных РПС, использующих кадровый буфер, с учетом с заданного набора функций и параметров производительности, апробированных при разработке семейства графических контроллеров GLX;
Разработаны алгоритмы и аппаратные структуры генераторов лекальных кривых, обеспечивающих наносекундный темп растрирования графических примитивов, описывающих кривые и поверхности;
Разработан программный моделирующий пакет "GRAFO Render-ing Project", обеспечивающий возможность моделирования работы подсистем графического акселератора при учете глобальной и локальной освещенности.
Реализация результатов работы. Результаты исследований и разработок использованы при проектировании СБИС графического процессора К1809 ВГ4 в КТБ АО "СВЕТЛАНА" и семейства графических контроллеров GLX на основе этой СБИС, специальной графической системы для КБ завода "РОССИЯ", специальных графических контроллеров для НИИ Авиационного Оборудования, графического сопроцессора "Галета 1,2" в КТБ АО "СВЕТЛАНА". Кроме того, результаты работы в настоящее время используются в работах по проекту "KAMELEON", выполняемого по программе "COPERNICUS" Европейского Сообщества, и связанного с разработкой методов совместного проектирования аппаратно-программного обеспечения систем генерации реалистичных изображений.
В рамках внедрения в учебный процесс результаты работы использованы в совместном проекте с Университетом Брауна (США) по модификации программных пакетов SRGP и SPHIGS для создания курса лабораторных и практических работ по курсу компьютерной графики в Институ-
те Точной Механики и Оптики.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертацион ной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференци "Микропроцессорные системы" (Челябинск, 16-19 мая 1984); I Республи канской научно-технической конференции "Применение микропроцессоро в народном хозяйстве" (Фрунзе, 1965); II, III, IV Всесоюзных конфе ренциях "Методы и средства обработки сложной графической информации (Горький, 1985, 1988, 1991); семинаре "Программное обеспечение применение микропроцессорных систем и устройств" (Москва, 1986); I Всесоюзной конференции по проблемам машинной графики (Протвино, 9-1 сентября 1987); зональном семинаре "Применение машинной графики моделировании и обучающих системах" (Пенза, 18-19 октября 1989); II IV Международных Конференциях по Компьютерной Графике и Визуализации ГРАФИКОН (Москва - сентябрь 1992, Н.Новгород - сентябрь 1994) на российско-германском семинаре по Информатике и Прикладной Матема тике (Москва, сентябрь 1993); 9-ом Семинаре по Графической Аппарату ре Международной конференции EUROGRAPHICS (Осло, Норвегия, 12-1 сентября 1994).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликова но 33 научные работы, из них 4 на английском языке.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит и введения, шести глав, заключения, списка литературы из 287 наимено ваний и трех приложений. Общий объем работы составляет 516 страниц основной текст работы изложен на 374 страницах, иллюстрируемых 16 рисунками и 54 таблицами.
