GPU图形技术的新发展及对军事仿真的影响
摘要：近年来，三维图形技术取得了飞速的发展，显著的特点是基于GPU的并行架构运用和可拓展动态编程、立体纹理、动态光照、物理特性仿真等技术的不断推广使用。将这些新技术应用于军事仿真的兵力生成、战场环境仿真、军事数据计算等方面，将对军事作战指挥产生积极和深远的影响。本文结合工作实际，主要就GPU图形技术的新发展及对军事仿真的影响问题进行了认真探究。
关键词：三维图形技术 GPU 军事仿真 技术发展
随着计算机硬件技术和软件技术的不断发展，特别是图形处理器，电影级3D画面渲染逐渐成为现实——足够多的建模多边形、非常精细的贴图以及交相辉映的光影特效，带给人们一个非常接近真实的虚拟世界。于此同时，利用GPU完成通用计算的研究也逐渐活跃起来。将最新图形技术应用于军事领域开始成为世界各军事强国，特别是欧美一些发达国家关注的热点和取得成就的一个方面。为此，笔者主要就三维图形技术的新发展及对军事仿真的影响谈谈我们的几点思考。
1、基于GPU的图形技术发展特点
1.1 静态模型向可拓展动态编程转变
以往的三维应用程序，包括目前常用的一些图形仿真软件，如Vega，OpenGVS等，采用的多是基于软件加速的渲染方式，模型一旦被调用，其几何特性很难修改，因此很难体现模型的动态变化，比如水面的波动、植被的摆动。现在三维应用程序，特别是3D游戏画质比几年前逼真的多，很大程度上是因为场景中的模型可以动态拓展几何特性。例如湖水的涟漪，它会让水面的高度实时移动，材质纹理发生扭曲、光照变化等，给人以更加真实的感觉。这种效果最初实现是通过采用一种名为Shader（用于实时渲染三维对象、并被GPU所执行的程序）的编程技术。Shader主要包括两个分支，一个叫作象素Shader（Pixel Shaders），一个叫作顶点Shader（Vertex Shaders），分别处理3D建模和表面渲染，利用shader可以编写短小的自定义程序，控制模型的实现细节，模拟对象的各种变化特性等。
1.2 平面纹理向立体纹理转变
纹理是三维物体表面呈现出的图像色彩。纹理可以人工绘制，也可以从实物照片中获取，将纹理贴于三维物体表面，可增加三维物体的真实感。但真实世界中的物体表面都是不光滑的，也就是说从不同角度观测物体，它的光影特效不同，比如说沙石地或者人体皮肤，从不同角度观察，它的表面阴影是不同的。而要反映这一效果仅靠平面纹理是不够的，于是出现了环境映射凹凸贴图（Environment Mapped Bump Mapping），通过凹凸模拟技术来体现真实物体所具有的凹凸起伏和褶皱效果。环境映射凸凹贴图是在标准表面纹理上再映射一层纹理，纹理由深度信息和光源位置决定，再根据表现对象的不同，将下层纹理进一步处理为上层纹理的阴影或底面，这样就逼真地模拟出了真实物体表面的凸凹褶皱效果。
1.3 静态光照模型向动态光照模型转变
目前先进的光照技术是变换的动态光HDR（High-Dynamic Range）技术，又称为高动态光照渲染。HDR不仅能使画面有更大的亮度或对比度，它还可以使3D画面更具真实感，让计算机能够显示更接近于人眼视觉的画面质量。在现实中，当人从黑暗的地方走到阳光下时，人的眼睛会不由自主的眯起来，那是因为在黑暗的地方，人为了更好的分辨物体，瞳孔张开很大，以便吸收光线；而突然到了光亮处时瞳孔来不及收缩，视网膜上的视神经无法承受如此多的光线，人自然会阻止大量光线冲击视神经。HDR的最终效果是模拟人眼瞳孔自动适应光线变化的能力。高动态范围原理上是由Tone Mapping和Bloom构成。Tone Mapping在屏幕总体象素亮度和曝光因子的控制下对图像进行曝光处理，将处于高动态范围中的像素映射到屏幕能显示的低范围中，并不失真实性；而Bloom在视觉上起到辅助作用，用于模拟过量的部分产生的光晕效果。HDR的出现大大增强了三维场景的气氛。
1.4 单一图形仿真向包括物理特性的综合仿真转变
CPU是为了达到更快的逻辑运算，GPU是为了达到更好的图形效果，而GPU中的PPU（Physics Processing Unit）就是为了使虚拟世界更加真实。PPU被称为物理加速引擎单元，它通过赋予物体真实物理属性的方式，来实现复杂的动力学和运动学仿真。由于物理计算与物体的几何特性有密切关系，将PPU引入到GPU当中，利用GPU的几何渲染单元可以让物理运算变得更简便。物理引擎是一项综合性仿真技术，主要包括软、固质体动力（Soft or Rigid Body Dynamics）、通用碰撞侦测（Universal Collision Detection）、有限元素分析（Finite Element Analysis）、流体动力（Fluid Dynamics）、毛发模拟（Hair Simulation）、布料模拟（Cloth Simulation）、自然模拟（Natural Motion）等方面的建模与计算。目前常用的GPU的物理引擎主要有Havok、PhysX、Ageia。它们的出现，使原本许多复杂的物理计算由CPU转移到GPU上面来。
1.5 基于CPU串行运算向基于GPU并行运算发展
GPU拥有高性能的多处理器阵列与高带宽、低延迟的存储，这使得在大量重复数据集运算和密集内存存取的计算应用上，GPU具有比传统CPU更大的优势。传统CPU采用的是串行架构设计，其目的是使执行单元能够快速执行复杂的逻辑和分支控制，主要用于操作系统、系统软件、应用程序、通用计算、系统控制等领域；而GPU专为图形处理而设计，是针对向量计算进行了优化的高度并行数据流处理机。随着高质量的图形渲染需求越来越多，传统CPU处理图形不仅运算速度低，而且还会影响自身效率；而GPU采用了统一架构的并行设计，通过大量功能简单的流处理器的共同运转来提高计算和数据的整体吞吐率，因此GPU不但可以高速的进行几何变换、光照、三角形构造、裁剪和绘制等工作，还可以用于科学运算、数据分析等大量重复的数据集运算和密集的内存存取的应用领域。目前GPU对计算密集型（Compute-Intensive）问题的处理能力己远远超过CPU处理器，其单精度浮点运算能力达到500～1000FLOPS，而传统CPU却只有50～100GFLOPS。因此，GPU也为进行图形处理以外的通用计算提供了良好的运行平台。