[发明专利]一种基于错切变形的并行体绘制系统

权利要求书

1.基于错切变形的并行体绘制方法，其特征在于以速度最快的错切变形(Shear-Warp)体绘制算法为基础，构造分布式的并行体绘制系统，该系统由一个主节点和若干从节点构成，主节点和从节点均采用普通PC机，节点间通过局域网连接；该并行体绘制系统借助基于扫描线及负载均衡原则的任务划分方法和基于AIAMD思想的自适应帧率控制策略，在保证可视化图像质量品质的前提下，进一步提高节点间的负载均衡性及绘制速度。具体包括以下步骤：

(1)启动主节点作为服务器端，以监听从从节点作为客户端的连接请求，启动从节点作为客户端；

(2)处理从节点的动态加入及退出请求；

(3)主节点接收用户交互操作，取得视点、模型位置和/或视线方向信息，计算绘制参数；

(4)主节点根据第(3)步获得的绘制参数及各从节点上一帧的绘制时间、数据场可视化所需进行的扫描线数量、及各从节点上一帧的绘制时间，重新为各从节点分配绘制任务，所述绘制任务为下一帧所需计算的扫描线数量和序号，并分发给各个已连接的从节点；

(5)主节点更新与各从节点相关的AIAMD时间预测模型参数；

(6)主节点计算各从节点下一帧绘制的开始时刻，并分发给各从节点，各从节点根据所述开始时刻控制本节点的绘制帧频；

(7)各从节点根据扫描线任务划分并依据错切变形算法进行局部扫描线的可视化计算，形成局部图像，并将局部图像数据传给主节点；

(8)主节点按扫描线序合并各从节点局部图像数据，合成最终图像并输出。

2.根据权利要求1所述的基于错切变形的并行体绘制方法，其特征在于：所述步骤(5)中的AIAMD时间预测参数更新为自适应动态更新，具体包括：

(5.1)主节点接收到各从节发送来的每帧绘制信息，包括：

第i节点在第j帧的绘制时间：RT_i(j)，i＝1，2，…，N，j＝1，2，…；

第i节点在第j帧的数据传送时间：ST_i(j)，i＝1，2，…，N，j＝1，2，…；

同时计算得到第i节点第j帧绘制任务完成的总时间：

TT_i(j)＝RT_i(j)+ST_i(j)，i＝1，2，…，N，j＝1，2，…；

从而求得当前帧的所有节点总时间中的最大的总时间：

TTmax(j)=maxi{TTi(j)},]]>i＝1，2，…，N，j＝1，2，…；

(5.2)根据相邻两帧时间信息之间的变化情况对第j帧采用的时间预测参数α_j、β_j进行取值范围界定，分四种情况：

情况1；TT_max(j)＜TT_max(j-1)，则α_j＜0；β_j＝1

情况2：TT_max(j)＝TT_max(j-1)，则α_j＝0；β_j＝1

情况3：TT_max(j)＞TT_max(j-1)

且存在第i个节点RT_i(j)-RT_i(j-1)＞ST_i(j)-ST_i(j-1)

则α_j＞0；β_j＞1

情况3：TT_max(j)＞TT_max(j-1)

且存在第i个节点RT_i(j)-RT_i(j-1)＜ST_i(j)-ST_i(j-1)

则α_j＞0；β_j无约束

根据上述方法可以构造第j帧对应的α_j、β_j二阶矩阵

X_2×1(j)＝[β_j  α_j]^T；

(5.3)构造第j帧对应的时间矩阵

T2×2(j)=TTmax(j)1×sign(αj)-TTmax(j)-1×sign(αj);]]>

构造第j帧对应的常数约束矩阵b_2×1(j)，其中C＝0.001为固定常数

b2×1(j)=TTmax(j)+CC-TTmax(j);]]>

(5.4)构造第j帧对应的关系约束函数T_2×2(j)X_2×1(j)≤b_2×1(j)，并在该约束条件下，求解α_j、β_j使得目标函数最小，即

min Z：T(j)＝α_j+β_j·TT_max(j-1)，j∈{1，2，…}

由此α_j、β_j的自适应预测问题转化为在给定范围内求解最优α_j、β_j值，使目标函数最小的问题，即典型的线性规划问题，利用单纯形算法完成上述问题的求解；具体的步骤如下：

1)设定α_j、β_j的取值范围，构造约束方程T_2×2(j)X_2×1(j)≤b_2×1(j)，设定目标函数Z＝{TT_max(j)-[α_j+β_j·TT_max(j-1)]}²；

2)根据T_2×2(j)X_2×1(j)≤b_2×1(j)列出包含2个约束方程的系数矩阵；

3)找出上述系数矩阵中2个线性独立的约束系数向量构成的基；

4)根据第一个基找出对应的基变量；

5)令系数矩阵中非基变量系数全为零，求出一个基可行解，同时得到第一个目标函数值；

6)分析非基变量所在列的检验数，若还存在正检验数的非基变量，表示目标函数值可能还有增加的可能，此时需要将某个非基变量与上次确定的某个基变量进行对换，以便求出更优的目标函数值；

7)选择具有最优值的检验数对应的非基变量记为x，作为新的基变量换入；

8)确定需要从基中换出的变量，使之成为非基变量；

9)重复步骤5)、6)、7)、8)，直至非基变量列的检验数中不存在正数为止；

10)与最大的目标函数值对应的各决策变量值就是该线性规划问题的最优解。

3.根据权利要求1所述的基于错切变形的并行体绘制方法，其特征在于：所述步骤(6)中的各从节点根据所述开始时刻控制本节点的绘制帧频，具体为：

(6.1)主节点将统计得到的TT_max(j)交与帧频管理器进行处理，以便得到下一帧的时间块T(j+1)，并根据第j帧的时间信息动态预测第j+1帧的总的时间信息，其中α_j，β_j是第j帧采用的自适应绘制时间预测参数，每帧动态调整，针对T(j+1)的预测，本发明分以下三种情况加以处理：

情况1：当第j帧的总时间小于第j-1帧时，采取加性减少策略温和地减少第j+1帧的总时间：

T(j+1)＝TT_max(j)-|α_j|，j＝1，2，…为绘制帧号；

情况2：当第j帧的总时间与第j-1帧的总时间相等时，当前参数不变，第j+1帧总时间保持不变；

T(j+1)＝TT_max(j)，j＝1，2，…为绘制帧号；

情况3：当第j帧的总时间大于第j-1帧的总时间时，如果绘制时间大于网络传送时间，则采取加性增加的策略增加第j+1帧的总时间：

T(j+1)＝TT_max(j)+|α_j|，j＝1，2，…为绘制帧号；

如果网络传送时间大于绘制时间，则说明网络的负载量增加，采取了乘性增加的策略：

T(j+1)＝β_j·TT_max(j)，j＝1，2，…为绘制帧号；

(6.2)各从节点收到第j+1帧的预测时间块后，根据第i节点的扫描线任务划分开始基于错切变形的可视化计算，同时统计第i节点第j+1帧的绘制时间RT_i(j+1)及传送时间ST_i(j+1)，计算j+1帧实际花费的总时间TT_i(j+1)并与主节点设定的总时间T(j+1)比较，如果TT_i(j+1)≥T(j+1)，则立即转入下一帧的绘制工作；反之，如果TT_i(j+1)＜T(j+1)，休眠到T(j+1)时间块满，然后转入下一帧的绘制工作。