伴隨著GPU硬體技術與計算機圖形學理論的發展，使得原先很多被認為不可能的圖形繪製變成了可能。圖形繪製技術已經深入應用到設計、娛樂、科學研究等領域，在科研生產中起到了不可替代的作用。但必須看到，雖然GPU發展迅速，但面對海量的場景資料與愈加複雜的繪製演算法時，單GPU能夠提供的圖形計算能力仍然捉襟見肘，高階圖形硬體不僅價格昂貴，而且大多需要在特定的環境下才能工作，可擴充套件性差。將普通PC或者圖形工作站通過高速網路互連，建立起一個集群系統，充分挖掘每臺計算機的計算能力，從而能夠提供與高階圖形硬體相媲美的繪製能力，兼具靈活的可擴充套件性，成為了解決這種供需矛盾的一個不錯的選擇。本文將簡要介紹開發分散式並行繪製系統的必要性與分散式並行圖形繪製的基本概念。

1必要性

       近年來圖形學研究呈現以下幾個特點：隨著三維掃描技術、計算機輔助設計、科學模擬等技術的發展，幾何建模愈加方便，模型複雜度急劇增大。虛擬場景中物件越來越多，物件屬性越來越複雜，加上實時互動的應用，使得場景繪製的計算量呈子數增大。繪製真實感要求不斷提高典型的有光線跟蹤、輻射度演算法、全域性光照效果等。使用者為了追求沉浸式的視角效果，顯示解析度不斷提升，多頻拼接顯示技術廣泛應用得到廣泛應用。

       GPU發展雖打破摩爾定律，但無法跟上應用領域需求的增長，因此分散式圖形並行繪製技術在硬體技術飛速發展的今天仍得到重視。總體來說並行圖形繪製有兩種應用型別：真實感繪製，特點是場景模型資料少，但計算過程複雜，計算量大，並行繪製主要體現在計算的並行上。海量場景資料為代表的應用，所處理的資料量巨大，單個處理物件的繪製過程相對簡單，並行繪製主要體現在資料的並行性上。本文所討論的主要針對後者。

2叢集分散式並行圖形繪製的定義

       簡單的來說叢集並行繪製系統就是建立在PC叢集上協同完成同一繪製任務的系統，並行圖形繪製體系結構是並行繪製系統設計中首要核心問題，它決定了系統的工作機制，是實現其他相關功能的基礎。狹義上的分散式並行圖形體系結構指圖形處理流水線的組織方式，Molnar提煉出三種基本型別：sort-first、sort-middle、sort-last。廣義上的並行繪製體系結構之圍繞圖形處理流水線並行組織方式建立起來的相關功能綜合，包括任務劃分、負載均衡、資料排程、影象合成等。這些功能與圖形處理密切相關，無法割裂開來單獨設計因此將其劃入並行繪製體系結構的一部分。

3三種基本的並行繪製體系結構

       圖形繪製流水線可以概括為兩個流水線階段：幾何流水線階段和繪製流水線階段。在常見的圖形API中它們通過相對獨立的模組實現，場景資料具有弱相關性的特點，打亂執行順序而不影響最終繪製結果。這些特點使得圖形的並行繪製成為了可能。圖形繪製是，被繪製的資料按照一定的任務劃分策略被分配到不同的繪製伺服器上，這個劃分與分配的過程稱之為歸屬判斷。Molnar等人根據歸屬判斷髮生的時機將並行圖形繪製的體系結構歸納為三種基本型別：sort-first、sort-middle、sort-last。

       sort-first：歸屬判斷髮生在幾何流水線之前。最終的顯示螢幕影象被劃分成若干個子區域分配給不同的繪製伺服器負責。繪製開始前先確定場景幾何資料在顯示螢幕上的投影落在那個子區域上，由負責此區域的繪製伺服器完成繪製並輸出最終影象，所有繪製結果拼接成最終的顯示圖形。sort-first優點是每個繪製伺服器的擁有完整的繪製流水線，有利於構建PC叢集的並行繪製系統，缺點是歸屬判斷開銷較大，負載均衡較難實現。

       sort-middle：歸屬判斷髮生在幾何流水線之後，繪製流水線之前。幾何流水線階段資料不按照區域劃分，而是按照負載均衡的原則進行劃分，經過幾何流水處理的中間結果按照螢幕區域劃分並分配給相應的繪製伺服器，收集所有的繪製結果並拼接合成最終顯示影象。由於普通的GPU結構特點決定了無法取得中間結果，這種型別的體系結構一般需要專用的圖形硬體的支援，因而PC叢集的並行繪製系統一般不採用這種型別。

       sort-last：影象不進行空間劃分，將場景資料進行立體空間的劃分，每個繪製伺服器負責不同空間範圍內的場景資料的繪製，並得到一幅包含部分場景資訊的全螢幕影象，所有的繪製結果按照深度進行影象合成得到最終的顯示影象。這種結果簡單易實現，負載均衡容易控制，畫素的傳輸與合成是系統的瓶頸。

       經過多年的發展，國外已經開出了多種商業上的叢集並行繪製系統。stanford的WireGL是一個基於sort-first體系結構並獨立於具體硬體平臺的叢集並行繪製系統，Chromium是其升級版本。浙江大學的AnyGL則是一個立即模式的混合sort-first&sort-last型體系結構的叢集並行繪製系統。在實際應用中可根據需求特點，選取這三中基本結構加以改進以使得更適合於當前需要。