可视化集群渲染系统
产品背景
PC 硬件技术不断推陈出新，不但表现为 CPU 频率的不断攀高， 还表现为 PC 的图形 处理器技术的日新月异。近几年以 ATI 和 nVidia 为代表的基于 PC 的图形处理器技术正在 突飞猛进，以 nVidia 公司为例，其 Quandro FX 3000G 图形处理器具备的 FrameLock 技术， 可将多个图形单元（多台 PC 工作站）相联进行多通道显示；其新近推出的 SLI（Scalable Link Interface）技术可在单台 PC 机中具有两个图形处理器，进行单显示通道输出，几乎成倍地 增加了 PC 机的图形性能。
在虚拟现实领域，计算机图像生成系统以往一直采用的是价格昂贵的专用 UNIX 图形 工作站。而如今 UNIX 图形工作站技术更新缓慢，不论是处理器技术，还是图形技术都已 经落后于 PC 硬件。
众多传统专业软件正不断地从 UNIX 平台移植到 Windows 平台。以 MPI 公司的 Creator 和 Vega 为例，其所有模块已经从 UNIX 平台移植到 Windows 平台，不仅如此，就连 SGI 自身的 Performer 从 3.0 版本之后也走下神坛，推出了 Windows 版本。PC 硬件的飞速发展 和 Windows 平台的易用性、应用广泛性确定了大量专业软件跨平台的必然性。
从图形应用的角度看，用户的需求是无止境的，而以往的图像生成系统，要么无法满 足用户要求，要么价格让用户无法承受。
Founder DVG 可视化集群就是在这样的背景下产生的一个既高性能又高性价比的可视 化解决方案。

Founder DVG 可视化集群可扩展的体系结构
集群(Cluster)就是将多台 PC 机通过某种形式（千兆以太网、Myrinet 等）联结为一个 整体，分布完成一个并行的应用。Founder DVG 是完成并行可视化应用的集群，其体系结构是将若干台高性能 PC 机通过千兆以太网和 VRX 像素总线相联，共同完成一个并行的图形图像计算任务。其拓扑结构如图 1 所示，每个 PC 机作为一个图形节点，首先多个图形 节点通过千兆以太网交换机相联，每个图形节点又通过 DVI 接口相联于 VRX 像素总线，在 VRX 像素总线上完成图像融合和同步，输出相应图像。
图 1 Founder DVG 可视化集群拓扑结构图
VRX 像素总线是 Founder DVG 可视化集群的核心技术，其形式是可编程的 PCI 子母卡 (FPGA，占用两个 PCI 槽)，如图 2 所示，分别插在每台图形节点中，实现图像融合和同步。
图 2 VRX 像素总线卡
通过对 Founder DVG 可视化集群硬件结构的了解，可知每个图形节点中各部件与高档PC 基本相同，由此可知，Founder DVG 可视化集群具有极强的系统升级能力，用户可根据具体情况配置集群系统，既可以使用Intel处理器，也可使用AMD处理器。同时Founder DVG 可视化集群对显示卡新技术的支持，几乎可与其的市场发布同步。ATI 和 nVidia 是两大 PC图形芯片生产商，Founder DVG 可视化集群完全支持其产品，无论是 AGP 接口产品，还是PCI-Express 16x 接口产品。
Founder DVG 可视化集群支持 Windows 和 Linux 操作系统。一般用户对 Windows 操作 系统的使用与编程都比较熟悉，这就使 Founder DVG 可视化集群具有较好的易用性。

Founder DVG 可视化集群功能
Founder DVG 可视化集群将一个大的图形任务分割为若干小任务，由若干图形节点分 别完成，并控制显示同步和图像融合，从而提高整个系统的性能。
Founder DVG 可视化集群可实现多通道显示，例如可以用三个通道表现一个视角为 120 度的场景。如图 3 所示。
图 3 三通道显示
Founder DVG 可视化集群可实现每个通道内多个图形节点的并行工作，每个节点实时 渲染的图像在像素总线上以不同的图像融合方式合成完整图像。
与一般的 PC Cluster 相比，Founder DVG 可视化集群不但实现了多通道，而且实现了 单通道多图形节点；而其它 PC Cluster 只能实现多通道，而无法实现单通道多图形节点，如图 4 所示，虚线部分是其它 PC Cluster 实现的功能，仅是 Founder DVG 可视化集群功能的一部分。
另外，一套 Founder DVG 图形集群，可由多个用户使用。当一个图形节点出错时，不 影响整个链的运行。
图 4 多通道多图形节点
Founder DVG 可视化集群的图像输出格式与使用的显示卡相关，使用标配可实现以下 输出：
  • All 800x600, 1024x768, 1280x960, 1280x1024 formats
  • 1280x1024 120Hz (stereo)
  • 1600x1200 (100, 120Hz)
  • 1920x1200 (85, 100Hz)
  • 1920x1440 (75, 85Hz)
  • 2048x1536 (60, 75Hz)

Founder DVG 可视化集群图像融合模式
Founder DVG 可视化集群支持多种图像融合模式：
  • Sample division (for Anti-Aliasing)
  • Image division
  • Time division
  • Time division Anti-Aliasing
  • Eye division
  • Volume division
Founder DVG 可视化集群的图像融合有以下特点：
  • 图像融合在 VRX 像素总线上完成，不占用图形节点上的 CPU 和内存资源；
  • 不同的融合模式可混合使用；
  • 当使用控制软件改变模式时，不影响图形节点间的物理联线；
  • 融合模式的设置是与具体应用的软件和数据相关的。

Sample division(AAD)
Sample division 就是将同一图像分配在多台图形节点上分别渲染，每个图形节点渲染 位置相差一个子像素，多个图像合成形成一个图像，这种模式可改善图像质量，可应用于 图像质量要求较高的应用。例如每个图形节点进行 4-sample anti-aliasing，四个图形节点的 图像合成，就是进行 16-sample anti-aliasing，如图 5 所示，明显提高了图像质量。
Sample division 会增加 1 帧的延时，同时由于每个图形节点使用的 framebuffer 较小， 使纹理内存相应增加，相对提高了整个系统的图形性能。
图 5 Sample division

Image division
Image division 使每个图形节点只负责一部分输出图像的生成，多个图形节点合成一个 完整的输出图像，这种模式适合高分辨率图像输出的应用。但会增加 1 帧的延时。
Image division 有三种分割方法，分别是 Split image division(SID)、Interleaved image division(IID)和 Added image division(AID)。
A. Split image division(SID)
Split image division 是将一个图像垂直分割，也可水平分割，或联合分割，每个图形节 点实时渲染其中的一部分，多部分构成一个完整图像，如图 6 所示。这种模式加快了渲染速度，同时每个节点使用 framebuffer 较小，使纹理内存相应增加，相对提高了整个系统的图形性能。
图 6 Split image division
B. Interleaved image division(IID)
Interleaved image division 是使每个图形节点隔行生成全场景图像，如图 7 所示，图形 节点 1 生成完整图像的第 0、3、6、…行，图形节点 2 生成完整图像的第 1、4、7、…行，图形节点 3 生成完整图像的第 2、5、8、…行，三个图像合成一个完整图像。这种模式下各图形节点几何运算相同，渲染时间相同，线性提高了像素填充率，同时由于每个图形节点使用 framebuffer 较小，使纹理内存相应增加，相对提高了整个系统的图形性能。
使用这种模式是不能使用显示卡设置的反走样功能（GFX AA），因为在隔行的情况下 进行 anti-aliasing 后，再进行图像的合成会造成图像错误。
图 7 Interleaved image division
C. Added image division(AID)
Added image division 使每个图形节点实时渲染输出图像的一部分，但其余部分填充黑 色，最多 4 个节点的图像合成一个完整的图像，如图 8 所示。这种模式提高了几何运算速率，并且每个图形节点的视口可动态变化，满足动态数据 Load 平衡。
这种模式与 Sample division 不能联合使用，但可使用显示卡设置的反走样功能（GFX AA）。
图 8 Added image division

Time-division(TD)
Time-division 是将 N 台图形节点分别渲染一个图像序列的第 1、2、3 … N 帧，并依次 循环。假设帧速率为 60，每个节点每秒只需生成 60/N 帧，即每个图形节点使用 N 个系统 帧时生成一帧图像，缓解了单个图形节点的运算压力。N 的值可以很大，那么 Time-division 可以无限制地线性提升系统的图形性能，但同时会增加 N-1 个帧时的延时。在实际应用中， 如实时性要求较高，允许的延迟较小，应合理配置系统模式。

Time-Divided Antialiasing(TDAA)
Time-Divided Antialiasing 是在 Time-Division 的基础上，将每个图形节点渲染的图像按 照 Antialiasing 方法，分别设置一个小的像素位移，多帧图像连续播放达到反走样效果，如 图 9 所示。
理论上这种模式的分割数目不限，但超过 2 图像改善效果不明显。另外，这种模式下 显示较小分辨率的静态图像时有抖动。
图 9 Time-Divided Antialiasing

Eye division(ED)
Eye division 可实现立体显示，既支持主动立体（如图 10 所示），又支持被动立体，两 组图形节点分别生成左右眼通道图像，线性增加系统的图形性能，是 CAVE, VRs 的首选模 式。这种模式可与其它任意模式联用，无延时。
图 10 Eye division 用于主动立体

Volume division(VD)
Volume division 必须通过应用软件将需要渲染的数据按照不同的三维区域分配到不同 图形节点分别计算，最后合成一个完整的图像，图 11 是一个实例，不同层的数据在不同节点渲染后，依次合并为完整图像。这种模式线性增加了图形性能，但不可与 Sample division、Added image division 联用，并增加了 1 帧的延时。另外，这种模式可使用显示卡设置的反走样功能（GFX AA）。
这种模式下，网络传输数据量较大，主要传输的是各个像素的 Z 值。
图 11 Volume division

Founder DVG 可视化集群软件
Founder DVG 可视化集群软件包括多个部分。
Visual Cluster Management（VCM）管理软件利用简单易用的用户界面（如图 12 所示） ， 通过设置参数控制 Founder DVG 可视化集群实时渲染图形应用，VCM 可为不同图形节点分配任务，定义和管理渲染组，定义图像融合模式，管理显示同步，定义输出参数（帧速率、分辨率等）。
图 12 Visual Cluster Management 管理软件用户界面
Founder DVG 可视化集群的 SDK，即 VRX API，包括头文件和库文件，开发者使用 SDK 可在 Founder DVG 可视化集群上开发图形应用程序。SDK 在应用中与其它软硬件的 关系如图 13 所示，应用程序调用 VRX API 和 OpenGL，VRX API 控制像素总线，OpenGL 控制显示卡，VRX API 和 OpenGL 之间进行相应指令和数据传递。
图 13 Founder DVG 可视化集群 SDK 在应用中与其它软硬件的关系
Founder DVG 可视化集群 Wrapper 软件是一个动态连接库，可使用户不需重写或重编 译原有的的图形应用程序，就可将其运行在 Founder DVG 可视化集群上。Wrapper 在应用 中与其它软硬件的关系如图 14 所示，应用程序的 OpenGL 调用被 Wrapper 截获后，将任务 分解或辨识为 VRX API 和 OpenGL 任务，分别控制像素总线和显示卡。
图 14 Founder DVG 可视化集群 Wrapper 在应用中与其它软硬件的关系

Founder DVG 可视化集群的应用领域
Founder DVG 可视化集群可应用于以下领域：
军用模拟与训练
图 15 飞机模拟器
图 16 战场仿真
工业设计
图 17 工业设计多屏显示
城市规划
图 18 建筑规划
科学可视化
图 19 地层勘探数据可视化
博物馆
图 20 文物展示
主题公园
图 21 公园展示

Founder DVG 可视化集群支持的软件
在一个硬件系统上可运行的软件越多，这个硬件系统的应用将会更广泛。Founder DVG 可视化集群支持的主要软件列出如下：
  • ModViz, Inc.- Renderizer
  • MultiGen-Paradigm, Inc. - Vega NT, Vega Prime, Flight IG
  • VRCO, Inc. - CAVE Lib, vGeo Explorer, VRScape
  • SGI, Inc. - OpenGL Performer
  • Lockheed Martin, Inc. – SEView
  • Open Tech, Inc - DIVERSE Toolkit
  • Princess Interactive Software Technology GmbH & Co. KG – SentAX
  • Opticore, Inc. – OPUS Studio, Opus Realizer, Webviewer
  • Sjoland & Thyselius VR Systems - Blueberry3D
  • SDS International, Inc. - AAcuity Visual Simulation Software
  • TGS, Inc. – OpenInventor, Amira, Amira VR
  • BAE – Landscape
  • Lockeed Martin - Readi-sim SE/View
  • IWI – Fastbuilder
  • Simteam - 3Dengine
  • CG2 - Vtree
  • Infobyte – Visualizer
  • OpenSG
  • 3D Pipeline – Hyperpipe
  • Virtools – Virtools
  • Vircinity – Covise
  • Fraunhofer IAO – Lightning
  • PTC - DV Mock-up (first level done requires client order for completion )
  • Orad Hi-Tec Systems, Ltd. - 3DSMAX “MAXMAKER”,”CSNT/PSY”, Cybergraphics
  • VR Juggler
  • Shell – 123DI
  • NG-IR
  • Open Scene Graph
  • DaimlerChrysler – Dbview
  • vrcom – VD2
  • RTT – DeltaView, DeltaGen, Power wall
  • ICIDO – IDO
  • Kitware – VTK
  • OpenDX
  • Vis5D+
  • AVS, AVS MPE
  • Dassault Systems – CATIA, Delmia
  • UGS – Viz Mock-up

Founder DVG 可视化集群的优势
综上所述，Founder DVG 可视化集群具有突出的优势是：
  • 图形节点配置灵活 支持多种显示卡（ATI nVIDIA） 支持多种 32 位中央处理器 支持 Windows、Linux 操作系统 支持 AGP 和 PCI-Express 及时响应 PC 部件的升级 灵活升级，保护投资
  • 系统可扩展（每组 128 节点），不但解决了多通道问题，而且解决了每个通道多节 点问题，实现了性能线性增长
  • 丰富的图像融合模式，可解决各种复杂问题
  • 支持软件众多
  • 应用领域和成功案例众多
  • 易用性强
  • 性价比最高