（电路与系统专业论文）多视环境下目标纹理表达方法研究.pdf

u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y o fc h i n a adi s s e r t a t i o nf o rm a s t e r sd e gr e e 懋 _ r e s e a r c ho nt a r g e tt e x t u r e e x p r e s s i o n i nm u l t i - v i e w e n v i r o n m e n t a u t h o r sn a m e ： s p e c i a l i t y ：c i r c u i t s & s y s t e m s s u p e r v i s o r ： f i n i s h e dt i m e p r o f l g u o m a y1 0 ”，2 0 1 2 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名签字日期：迎12 ：二j 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 口保密( 年) 作者签名：1 尝也 导师签名： 签字日期：签字日期：型! 圣：垒二2 摘要 摘要 纹理映射过程是真实感模型绘制技术中的关键步骤，纹理图像生成的好坏对 生成模型的真实感影响重大。纹理映射技术是计算机视觉和计算机图形学中的重 要研究方向，具有重要的学术价值。其在三维视频、虚拟现实等领域具有广阔的 应用前景。但是纹理映射技术的过程复杂，数据量大，耗时长，而很多应用希望 能够快速的进行纹理映射。为了加快纹理映射速度，对算法进行并行化分析，提 出将算法并行化实现以提高效率。 本文的主要工作和特色如下： l 、提出了将一种纹理映射算法中的顶点可见性过程进行并行化实现的方法。 顶点可见性的确定对算法后续过程意义重大。该过程确定模型中的所有顶点对应 的所有可见视点。将每个顶点的所有可见视点求取过程作为一个独立的子任务， 采用任务分解的方式将该过程进行并行化实现，以加快顶点可见性过程的计算速 度。实验表明，并行化能够加快算法的运行速度。 2 、提出了将一种纹理映射算法中的顶点和视点对应关系过程进行并行化实 现的方法。该过程定义了一个数据代价，通过最小化该数据代价来建立顶点和视 点的对应关系。将每个顶点求取最佳视点过程看成一个独立的子任务，采用任务 分解的方式进行并行化实现，加快顶点和最佳视点对应关系的建立。实验证明， 经过并行化后算法的运行速度得到提升。 3 、为了实现模型的任意视角的真实感受，提出采用光场模型的方法来生成 纹理图像。利用有限的真实视点来生成大量的虚拟视点，并利用权值来确定虚拟 视点的纹理数据，结合表面位置的采样结果，就可以得到顶点光场数据矩阵。经 过一定的解码过程，就可以得到纹理映射的结果。由于该算法的数据量大，计算 过程复杂，因此提出并行实现方法，加快算法运行速度。 4 、提出了一种人体模型的3 d 星型骨架描述方法。该方法通过投影、提取 极值点、反投影、聚类过程等步骤，将人体模型用一个3 d 骨架来表征。实验表 明，能够提取出人体模型的3 d 星型骨架。 关键词：多核并行编程真实感绘制 纹理映射光场星型骨架 摘要 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t e x t u r em a p p i n gp r o c e s si sak e ys t e pi nt h er e a l i s t i cm o d e lr e n d e r i n gt e c h n o l o g y , t h eg e n e r a t er e s u l to ft h et e x t u r ei m a g ei m p a c tal o to nt h eg e n e r a t e dm o d e l sr e a l i s t i c t e x t u r em a p p i n gt e c h n i q u ei sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o ni nc o m p u t e rv i s i o na n d c o m p u t e rg r a p h i c sw i t ha ni m p o r t a n ta c a d e m i cv a l u e i nt h ef i e l do f3 dv i d e oa n d v i r t u a lr e a l i t y , i th a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s t h ep r o c e s so ft e x t u r em a p p i n gi s u s u a l l yc o m p l e x e d ，a l s ow i t hh u g ev o l u m e so fd a t aa n dt i m e c o n s u m i n g ，b u tm a n y a p p l i c a t i o n sw a n tt ob ea b l et oq u i c k l yt e x t u r em a p p i n g i no r d e rt os p e e du pt h e p r o c e s so ft e x t u r em a p p i n g ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ea l g o r i t h m ，p r o p o s eam e t h o dt o r e a l i z et h ea l g o r i t h mp a r a l l e l e dt oi m p r o v ee f f i c i e n c y t h em a i nw o r ka n dc h a r a c t e r i s t i co fp a p e ri sa sf o l l o w s ： 1 p r o p o s eap a r a l l e li m p l e m e n t a t i o no f t h ev e a e xv i s i b i l i t yp r o c e s so fat e x t u r e m a p p i n ga l g o r i t h m p o i n tv i s i b i l i t yi sv e r yi m p o r t a n tt ot h ef e l l o w - u pp r o c e s s o ft h ea l g o r i t h m t h i sp r o c e s sd e t e r m i n e sa l lt h ev i s i b l ev i e w sc o r r e s p o n d 、析t ha l lt h ev e r t i c e si nt h em o d e l t h ep r o c e s so fc a l c u l a t ea l lv i s i b l ev i e w s f o re a c hv e r t e xc a nb et a k e da sa ni n d e p e n d e n ts u b t a s k s ，p a r a l l e l i z a t i o n a c h i e v et h ep r o c e s sb yt a s kd e c o m p o s i t i o n ，s p e e du pt h ec a l c u l a t i o ns p e e do f t h ev e r t e xv i s i b i l i t yp r o c e s s e x p e r i m e n t ss h o wt h a t ，p a r a l l e l i z a t i o nc a ns p e e d u pt h er u n n i n gs p e e do ft h ea l g o r i t h m 2 p r o p o s eam e t h o dt op a r a l l e l i z a t i o na c h i e v et h ep r o c e s so fc o n s t r u c tt h e c o r r e s p o n d sr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev e r t e xa n dv i e w s o fat e x t u r ea l g o r i t h m t h ep r o c e s sd e f i n e sad a t ac o s ta n db ym i n i m i z i n gt h ec o s tt oe s t a b l i s ht h e c o r r e s p o n d e n c eb e t w e e nv e r t e xa n dv i e w s t a k i n gt h ec a l c u l a t eb e s tv i e wo f e v e r yv e r t e xa sa ni n d e p e n d e n ts u b t a s k s ，p a r a l l e l i z a t i o na c h i e v et h ep r o c e s s b yt a s kd e c o m p o s i t i o n ，s p e e du pc o n s t r u c t i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e v e r t e xa n di t sb e s tv i e w s e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h ms p e e di s r a i s e db yp a r a l l e l i z a t i o n 3 i no r d e rt oa c h i e v et h et r u ef e e l i n g so fa n yp e r s p e c t i v eo ft h em o d e l ，p r o p o s e am e t h o db yu s i n gl i g h tf i e l dm o d e lt og e n e r a t et h et e x t u r ei m a g e m a k eu s e o fl i m i t e dr e a lv i e w st og e n e r a t eal a r g en u m b e ro fv i r t u a lv i e w s ，a n du s e w e i g h t st o d e t e r m i n et h ev i r t u a lv i e w s t e x t u r ed a t a c o m b i n e dw i t ht h e r e s u l t so fs u r f a c el o c a t i o ns a m p l i n g ，i tc a ng e tt h ev e r t e xl i g h tf i e l dd a t a i l l a b s t r a c t m a t r i x a f t e rt h ed e c o d i n gp r o c e s s ，i tc a ng e tt h er e s u l to ft e x t u r em a p p i n g d u et ot h el a r g ea m o u n to fd a t aa n dt h ec o m p l e x i t yc a l c u l a t i o no ft h e a l g o r i t h m ，p r o p o s eap a r a l l e lm e t h o d t os p e e du pt h ea l g o r i t h ms p e e d 4 p r o p o s eam e t h o do fu s i n g3 ds t a rs k e l e t o nt od e s c r i b eh u m a nm o d e l t h i s m e t h o di sc o n s i s t i n go fp r o j e c t i o n ，e x t r a c te x t r e m ep o i n t s ，r e f l e c t i o na n d c l u s t e r i n g i tc h a r a c t e r i z e st h eh u m a nm o d e lw i t ha3 ds t a r s k e l e t o n t h e e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h i sm e t h o dc a ne x t r a c t3 ds t a rs k e l e t o no ft h eh u m a n b o ( 1 vm o d e l k e y w o r d s ：m u l t i c o r ep a r a l l e lp r o g r a m m i n g ，r e a l i s t i cd r a f t i n g ，t e x t u r em a p p i n g ， l i g h tf i e l dm o d e l ，s t a rs k e l e t o n i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录一v 图目录l x 表目录x i 第1 章绪论1 1 1引言1 1 2研究背景及意义1 1 3国内外研究现状3 1 3 1 纹理映射技术综述一3 1 3 2 多核技术综述5 1 4论文的主要内容和结构安排7 1 4 1主要研究内容一7 1 4 2 本文章节安排一8 1 5小结8 第2 章真实感三维模型生成中的纹理映射技术概述9 2 1 引言9 2 2纹理映射中纹理的意义1 0 2 3典型的基于图像的纹理映射方法1 1 2 3 1 柱状全景图方法1 1 2 3 2 同心圆拼接技术1 2 2 3 3全光函数拼接技术1 3 2 3 4 基于光场的方法和流明图1 4 2 4混合的基于图像的纹理映射方法1 5 v 目录 基于深度图像的技术1 5 具体纹理映射算法1 6 一种无接缝的纹理映射算法1 7 基于光场建模的纹理映射算法2 3 典型纹理映射算法的实验结果与分析2 7 一种无接缝纹理映射算法的部分实验结果2 7 基于光场建模的纹理映射算法的部分实验结果2 9 小结3 4 多核并行编程以及混合编程研究一3 5 引言3 5 多核处理器的体系架构3 5 对称多核3 5 非对称多核3 6 其它的多核架构3 6 多核架构的性能问题3 7 并行程序分解问题的方式3 7 任务分解3 7 数据分解3 8 数据流分解3 8 各种分解方式的比较及分析3 9 并行程序设计的问题3 9 并行程序设计的模式3 9 典型的并行程序设计方法4 0 扩展编程语言4 1 实验结果与分析4 1 混合编程模型的综述4 2 m a t l a b 和j a v a 的混合编程综述4 3 m a t l a b 和c c + + 的混合编程综述4 3 小结4 3 一种无接缝纹理映射算法的并行化一4 4 4 1 引言4 4 v i 1 1 2 1 2 1 2 3 4 1 2 3 4 5 1 2 1 2 王 龟 孓 孓 & 立耳 乙 王 乙 乙 王 王 王 王 孓 孓 孓 & & 1 j 与 乙 5 2 2 石 2 2 7 3 1 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 5 3 3 石 3 3 7 4 2 2 2 第 3 3 3 3 3 3 3 第 目录 4 2 算法的并行性分析4 4 4 3一种无接缝纹理映射算法的并行化实现4 4 4 3 1 读入各视点图像的并行化实现4 5 4 3 2 确定顶点可见性的并行化实现4 7 4 3 3 建立顶点与视点对应关系的并行实现4 9 4 4实验与分析5 1 4 5 小结5 6 第5 章基于光场的纹理映射方法并行化实现5 8 5 1 引言5 8 5 2算法的并行性分析5 8 5 3算法的并行化实现5 9 5 3 1 视点可见性的并行化实现分析5 9 5 3 2 顶点采样过程并行化实现分析6 0 5 4 实验结果与分析6 4 5 5 小结6 6 第6 章人体的3 d 星型骨架提取方法研究6 7 6 1引言6 7 6 2 人体3 d 星型骨架提取算法。6 7 6 2 1 j 殳影6 8 6 2 2 极值点选取6 8 6 2 3 反投影6 9 6 2 4 聚类7 1 6 3实验结果7 1 6 4 小结7 3 第7 章总结和展望7 4 7 1 总结本文工作7 4 7 2 展望今后工作7 5 参考文献_ 7 7 致谢8 1 v t t 目录 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果8 2 v i i i 图目录 图目录 图1 1 高度真实感的三维模型示意图1 图1 2 基于图像和模型混合的绘制技术流程示意图3 图1 3 纹理映射研究领域近年发表文章统计直方图4 图1 。4 单核结构和多核体系结构5 图1 5 并行编程研究领域近年发表文章统计直方图7 图2 1 高度真实感三维模型绘制方法的分类示意图9 图2 2 现实世界中纹理1 0 图2 3 柱状全景图和视点截面以及曲面算法的几何描述1 2 图2 4 摄像机沿着轨道拍摄狭缝图像形成同心圆系列的过程1 2 图2 5 同心圆全景图的绘制过程1 3 图2 6 全光函数拼接中的网格图1 3 图2 7l i g h tf i e l d 中的光线空间描述方法1 4 图2 8 图像数据重采样的几何表示1 4 图2 9 摄像机模型示意图1 6 图2 1 0 多视点采样方式1 6 图2 1 1 无接缝纹理映射算法流程图1 7 图2 1 2 三角面的空间位置分布1 9 图2 1 3 网格模型三角形和平面直角三角形的对应关系2 1 图2 1 4 三角形拼接效果图2 2 图2 1 5 不重合区域的双线性插值法2 3 图2 1 6 七维全光函数示意图2 3 图2 1 7 三角扇面所有顶点的权重示意2 5 图2 1 8 视点位置信息的重采样2 6 图2 1 9 测试数据b a g 和h a t 的多视点图像2 7 图2 2 0 重构的三维网格2 7 图2 2 1 测试数据的颜色填充效果2 8 图2 2 2 最终的多视点纹理映射效果2 8 图2 2 3 光场建模的原始图像2 9 图2 2 4 表面位置采样的测试结果3 0 图2 2 5 视点投影后的d e l a u n a y 三角剖分3 1 图2 2 6 虚拟视点的采样示意图3 1 图2 2 7 所有虚拟视点的采样值3 2 图2 2 8 表面纹理和视点纹理压缩前后的对比3 3 图3 1 对称多核示意图3 5 图3 2 非对称多核示意图3 6 图3 3 任务分解示意图3 8 图3 4 数据分解示意图3 8 图3 5 分支一合并( f o r k - j o i n ) 编程模式4 1 图3 6o p e n m p 示例程序4 2 图4 1 纹理映射的示意过程4 5 t x 图目录 图4 2 视点图像读入任务分配图4 6 图4 3 并行读入视点图像过程的伪代码4 7 图4 4 顶点可见性任务分配图4 8 图4 5 计算顶点可见性的并行实现4 9 图4 6n 核处理器上进行m 个顶点的最佳视点计算过程5 0 图4 7 最佳视点计算的并行实现5 1 图4 8 实验平台示意图5 1 图4 9 不同网格模型顶点数并行前后运行时间图5 3 图4 i 0 各测试数据的加速比5 3 图4 1 1 并行化前后生成纹理图像对比图( b a g 数据包) 5 4 图4 1 2 并行化前后生成纹理图像对比图( c l o w n 数据包) 5 4 图4 1 3 并行化前后生成纹理图像对比图( d o g 数据包) s 5 图4 1 4 并行化前后生成纹理图像对比图( h a t 数据包) 5 5 图4 1 5 并行化前后纹理映射效果对比图5 6 图5 1 光场数据的生成过程5 8 图5 2 世界坐标系向平面坐标系的投影代码5 9 图5 3 视点可见性的并行化6 0 图s 4 视点可见性并行实现伪代码6 0 图s 5 表面位置采样的结果示意图6 1 图5 6 表面位置采样并行化实现伪代码6 2 图5 7 视点三角形之内的采样点6 2 图s 8 虚拟视点位于可见视点投影点三角形外6 3 图5 9 顶点光场矩阵示意图6 4 图5 1 0 加速比示意图6 5 图6 1 星型骨架算法流程图6 7 图6 23 d 骨架的构造过程，a ) 投影，( b ) 极值点选取，f c ) 反投影，( d ) 聚类6 8 图6 3 旋转角度示意图7 1 图6 4i x m a x 数据库中的样本示例。7 2 图6 5 八个视角方向上的投影图和极值点7 2 图6 6 空间点分布图7 3 图6 73 d 星型骨架示意图7 3 x 表目录 表目录 表2 1 光场数据压缩后的结果3 3 表2 2 光场映射算法的测试结果3 4 表3 1 程序设计过程中的主要分解方式3 7 表3 2 常见的并行程序设计模式4 0 表4 1 视点图像的数据结构主要成员j 4 6 表4 2 计算顶点可见性的数据结构主要成员4 8 表4 3 本章算法的实验数据5 2 表4 4 关键模块的加速比5 2 表4 5 算法总执行时间及加速比( 单位：秒) 5 2 表4 6 纹理图像大小比较5 5 表5 1 测试实验数据6 4 表5 2 并行化的实验结果( 单位：秒) 6 5 x i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 本章主要分析了纹理映射在真实感三维模型生成过程中的背景和意义，然后 对纹理映射算法及多核实现算法进行了概述，介绍了采用多核算法的优势和原因 以及并行实现的一些方法和算法性能优化方法，对当前存在的纹理映射的主要方 法进行介绍和比较，最后介绍本文的主要内容和章节安排。 1 2 研究背景及意义 随着计算机图形学技术和计算机视觉技术的飞速发展，三维模型由于其广泛 的应用价值，对其的研究变得越来越热门。而如何构造高度真实感的三维模型， 则是研究的重中之重。高度真实感的三维模型生成技术可分为三维几何模型的构 造和将纹理图像映射n - 维模型的表面以形成真实感的三维模型这两个过程( 李 笑岚，2 0 0 6 ) 。高度真实感的三维模型在3 d 游戏、3 d 视频、虚拟现实、数字电影、 虚拟展示系统等领域的应用价值广泛且意义重大。但是高度真实感的三维模型生 成过程比较复杂，一是由于三维几何模型的构造需要用到目标的重构过程，而目 前的重构算法耗时较多，而且重构出来后的模型精细程度参差不齐：二是由于纹 理图像的采集数目有限，会造成纹理图像的边缘部分存在接缝现象，这会使最终 生产的三维模型真实感比较差。因此，如何提高纹理映射的真实感是需要解决的 问题。 叫 图11 高度真实感的三维模型示意图 l 第1 章绪论 3 d 游戏是真实感三维模型的重要应用领域( w r e n ，1 9 9 7 ) ，利用三维模型，可 以实现更好的浸入式游戏体验。将游戏中的模型全部生成具有高度真实感的三维 模型，用户在游戏过程中，可以得到置身其中的感觉。更进一步的，可以将用户 也建立模型，生成用户的真实感三维模型，利用人机交互技术，使用户和生成的 用户模型建立联系，这样用户的动作直接反应到游戏中，使用户得到更好的游戏 体验。 3 d 视频和数字电影领域对三维模型也有很广泛的需求( 沈燕飞，2 0 0 s ) ，当前 的主流发展趋势即要求对场景和目标要有真实和清晰的描述及表达。以前的电视 和电影技术，甚至当前比较流行的高清数字电视，其加深观众真实感都是通过提 高图像的分辨率来达到的，观众观看到的画面都是二维的，感受不到场景的深度 信息，更无法从各种角度去观看某个物体。为了满足观众的这种需求，需要对场 景和目标生成三维模型，从而可以从多个视角观看物体，提高了视觉的真实性， 提高了用户的体验感受。 在虚拟现实领域石教英，2 0 0 2 ) ，三维模型的绘制用处广泛。虚拟现实系统是 一种全新的人机交互方式，通过计算机对大量复杂数据进行处理和可视化操作， 达到人和计算机互动的目的。虚拟现实从根本上改变了人和计算机交互的方式， 使人机交互水平有了质的飞跃。一切存在于世界中的事物或者环境，都属于现实， 对计算机来说，只分为可实现的现实和不可实现的现实，而虚拟的意思即是用计 算机实现和生成真实世界中的事物和环境，并且其表现形式和真实世界具有高度 的相似性。比如在虚拟医学领域，首先构建某个器官的真实感三维模型，然后利 用电脑对三维模型虚拟生病过程，观察模型的变化，以供医疗工作者学习，为他 们以后诊断类似病症提供借鉴，这对医学临床试验和医学理论研究有积极的意义 ( 廖胜辉，2 0 0 8 ) 。 三维模型生成技术还可应用于虚拟展示系统( 梁琳晓，2 0 0 8 ) 。随着互联网技术 的飞速发展，人们可以实现“足不出户，环游世界”的梦想，而这需要三维模型 生成技术的应用。将一些有价值的展品和文物通过三维模型生成技术，生成高度 真实感的三维模型，使用户能够通过互联网实现网上远程观赏到精美的艺术品， 这对现代快节奏的生活更显得意义重大。 综上分析所述，可以发现许多的应用领域需要用到三维模型的生成技术来生 成高度真实感的三维模型。而纹理映射过程是其中重要的步骤，通过高质量的纹 理映射，生成的模型真实感更好。而为了提高纹理映射的速度，通过利用多核处 理器的特点和高速计算能力，对纹理映射过程并行实现，加快其速度。 2 第1 章绪论 1 3 国内外研究现状 1 3 1纹理映射技术综述 从传统的计算机图形学和计算机视觉的概念中，可以将通过计算机来生成高 度真实感的三维模型的方法分为三种( o l i v e i r a ，2 0 0 2 ) ：基于模型的绘制技术( i b m ， i m a g e b a s e dm o d e l i n g ) 、基于图像的绘制技术( i b r ，i m a g e b a s e dr e n d e r i n g ) 以及基于图像和模型混合的绘制技术( i b m r ，i m a g e b a s e dm o d e l i n ga n d r e n d e r i n g ) 。 采用基于模型绘制技术，需要精细的几何模型结构和少量的纹理图像，它要 求模型结构能够完整的表达出物体的几何信息。i b m 的优点是能够得到精细的 模型结构，因此只需要少量纹理图像就能够渲染出很好的效果。缺点则是当场景 复杂的时候，建模需要大量时间，而且由于需要精细模型，因此模型数据量大， 对精细度的控制也越困难，对用户和计算机的要求也会越来越高( k a n g ，1 9 9 7 ) 。 基于图像的绘制技术是指由真实拍摄的多角度场景图像或者计算机生成模 拟的图像，通过图像的拼接和视图插值等技术，生成不同视点处的真实图像，从 而得到三维模型的描述。这种方法可以较小的代价生成场景画面，同时可以保持 一定的空间位置的正确性。但是由于完全舍弃的三维模型，可能会导致最后生成 的模型深度信息的丢失，从而使真实感下降( s h u m ，2 0 0 0 ) 。 综上分析可知模型复杂度、真实感程度、绘制速度等方面存在相互制约的关 系，通过将上述两种方法的结合，提出了一种基于图像和模型混合的绘制技术， 试图在相互制约关系中寻找最平衡的方法( 石教英，2 0 0 6 ) 。这种方法只需要一个粗 糙的物体几何模型，以及较少视角的图像作为源图像。该方法降低了几何模型构 造过程的复杂性，只通过拍摄少量的物体多角度图像，重建和绘制场景。图1 2 给出了基于图像和模型混合的绘制技术流程示意图。 图1 2 基于图像和模型混合的绘制技术流程示意图 3 第1 章绪论 纹理映射作为真实感三维模型生成技术的关键步骤，是计算机视觉和计算机 图形学中的研究的热点之- - ( l e n g y e l ，1 9 9 8 ) ，研究成果逐年增加，如图1 3 所示 ( 其统计的数据来源于e n g i n e e r i n gv i l l a g e 数据库，文献总量单位为篇数) 。 塞参 霍 杖 1 0 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 2 0 0 0 0 2 0 0 22 0 0 32 0 0 4 2 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 102 0 11 年份 图1 3 纹理映射研究领域近年发表文章统计直方图 w a n g 等人提出一种基于球面光场的纹理映射技术( w a n g ，2 0 0 2 ) ，该算法通过 利用一个三角面化的球面光场替代传统光场中的平行平面，通过参数化三角面和 细分整个空间球面光场，能够有效克服平行平面光场的一些缺点。和传统的平行 平面光场相比，该方法的光场分布更加均匀。因此，纹理映射的效果得到大幅改 进。而且通过结合各个球面光场以及对球面光场的重采样，可以得到任意角度的 纹理。尽管该方法在纹理映射方面效果良好，但是它会产生非常大的数据量，尤 其当采样点越来越多的时候，数据量增大的非常明显，而且，该方法只适合环境 光源固定的场合中的纹理渲染，如果光场是动态变化的话，该方法就很难动态的 处理。 f l e i s h m a n 等人提出一种视点自动定位的基于图像和模型混合的绘制技术 ( f l e i s h m a n ，2 0 0 0 ) 。该方法已知场景的几何信息，然后确定一组视点下的可见表面， 选择合适的视点位置来采样整个场景，确定给定视点下某表面的可见性。然后确 定每个表面对应的最佳视点，最后从这些视点中生成与其相邻的相关视点。该方 法能够生成一个基于图像的三维模型。而且模型的纹理映射质量是由用户控制的。 但是选择能够覆盖所有可见表面的视点集是一个集合覆盖问题( n p 难问题) ， 4 第1 章绪论 而且对模型表面多边形的分解方法过于简单，导致纹理映射的真实感不够。 l e m p i t s k y 提出一种基于图像拼接的方法构造纹理图像( l e m p i t s k y , 2 0 0 7 ) ，该 方法只需要低精度的三维模型，而且采用了接缝消除算法。但是接缝消除算法的 鲁棒性不强，而且得到的纹理图像只是简单的拼接而成，导致存储效率很低。 1 3 2多核技术综述 当今计算机信息技术飞速发展，计算的问题复杂度和规模越来越大，处理的 数据也越来越多，而且对信息处理的速度要求越来越快，使得提高计算机c p u 处理问题能力成为解决这些问题的一个主要途径。传统的方法是增加处理器的时 钟频率来提升性能，但是随着主频越来越高，处理器的芯片集成度会遇到瓶颈而 很难继续集成，这样就难以继续通过提高主频来提升处理器的性能。而且，随着 高主频而来的高功耗问题也越来越难以解决。因此，单核处理器已经难以满足现 代的计算要求。 在这种情况下，现代工艺采用的策略是将多个核集成到一个处理器上，称为 多核处理器。多核处理器的优越性对软件的开发产生了深远的冲击和影响( h e r b s 喊e r ，2 0 0 5 ) 。由于串行程序在多核处理器上运行时性能只能得到很小的提升，而 且，随着以后的处理器或将采用更简单的设计和更低的时钟频率，继续采用串行 程序可能会带来性能的下降。因此，为了充分利用下一代多核处理器的高性能， 必须学习如何编写并行程序( c h a n d y , 1 9 8 9 ) 。多核处理器采用单芯片多处理器 ( c m p ，c h i pm u l t i p r o c e s s o r ) 技术。随着现代生产工艺和制造技术的进步，处 理器厂商可以在单个处理器芯片中集成两个或者多个内核。这些内核相互独立， 只是位于同一块芯片上。每个内核有独立的执行资源和体系结构资源 ( l e i g h t o n ，1 9 9 2 ) 。图1 4 给出了单核结构和多核结构的简单示意图。分析可知， 处理器的性能与时钟频率成正比，处理器功耗和主频的三次方成正比。通过主频 提升处理器一倍性能，则功耗为原来的八倍。而利用双核处理器，要提升一倍性 能，其主频并不增加，所以功耗只有原来的两倍。因此，多线程技术比增加主频 来提升性能的优势明显( a l m a s i ，1 9 8 8 ) 。 e ：单艨磋蒸缮搿= je ：多骧臻嚣缝搿二j 图1 4 单核结构和多核体系结构 5 第1 章绪论 在程序运行过程中，线程是最小单元，因此多核编程也被称为多线程编程 ( n e g r i ，2 0 0 1 ) 。在多核系统中，要充分利用每个内核，则每个内核都会生成一个 或者多个线程。传统的处理器中，也有多线程技术，但是它不是真正的并行，而 是并发过程。因为只有一个核，每一时刻只能有一个任务在运行，其它任务或者 说线程处于挂起状态。其多线程技术性能的提升取决于处理器的性能和程序架构。 而多核系统中的多线程技术，每个核都有独立的运行资源，因此多个