鲍虎军，浙江大学教授，现任浙江大学CAD&CG国家重点实验室主任，国家杰出青年基金获得者，“十五”国家863计划信息领域信息获取与处理主题专家组成员。

杭州市西湖边的模型成果

中国计算机事业创建五十周年纪念大会已经成功落下帷幕，与大会同期举行的千万亿次计算机、软件与中间件技术、信息安全、数字媒体、人机交互与虚拟现实、多核CPU与程序设计、搜索技术和三网融合八个分论坛也让与会观众对IT热点技术的发展有了更深入地了解。本期我们将就当前国际上大规模场景的实时图形绘制的前沿技术，由国内该领域的领军人物来做精彩诠释。

随着计算机的系统计算能力越来越高，使我们面临着一个重要问题，就是我们怎样才能快速地把图像和处理结果显示出来，因为虚拟现实技术里面的一个基本问题，就是视觉系统感知的问题。

从一个真实的世界到一个虚拟的世界，这个时候如果有能够写实的能力，那将在很多领域里都有着广泛应用。比如汽车、飞机设计甚至城市规划，这里都存在模拟仿真的应用。这些应用的共同特点就是数据量非常大，而日渐增长的数据量对图形写实技术提出了苛刻要求。这个要求体现在两方面，一方面是数据怎样组织，怎样在内层和外层之间取得平衡的问题；凸显出的另一个问题是，在数据量一般的情况下，现在的PC部件（如CPU/GPU等）和技术都能很好地处理，但在大数据量的情况下，比如数据量达到几TB时，又该如何去解决？

当用户要进行大数据量写实的时候，技术上主要要考虑两个问题：一是怎样快速地提出可用的信息，把不可用的信息丢弃，进而提高效率；第二，当数据量复杂时，比如从空中观察地面时，大部分都是可见图象，这时怎么处理？如果数据量达不到这个要求，唯一的办法就是通过简化来实现目标。

目前已经有很多种预处理技术，比如围绕着一个视点看周围，预先把它找出并呈现出来，通过数据的组织来解决问题。这种方法已经有了很多种，比较新的解决方法是区域之间的方法计算，主要解决的是什么问题呢？也就是我站在这个墙里，墙把那个房间的画面都挡住了，也就是在光线空间内怎样做到封闭。

目前做得很成功的方法是把可见方法集成在一起，比较优良的方法是一个预计算方法，这种方法是芬兰做的，这种方法节省了多种资源，GPU里的工作都由CPU来做，所以辅助性质很好。尽管这个方法的可见性可能很有效，但可以想象一下，比如北京这么大的城市，用一个盒子来表示的话，一定要简化到最简化的模型，否则所有的系统都没法处理。

这种思想直接导致我们要找到一些新的简化技术。具体方法可以用图像来进行简化，或者混合的简化方法来把模型适度简化，这方面的研究现在逐渐多了起来。另外一个发展趋势是把这个有效数据组织起来，然后实现从硬盘到CPU，再从CPU到GPU之间的有效调度，这实际上是目前在图形领域中一个新的研究课题。

目前，商品化的绘制系统很多，也越来越成熟，目标就是给工业仿真应用提供强有力的仿真写实工具。但这些系统都面临着一个很大的问题——容量很小，超过1000万面片时，这些系统就很难有效工作。实际上，1000万面片很容易就达到了，比如飞机和汽车，它们的设计都要超过1000万面片。

在我承担的科研项目中，已经把我们研究的系统放在里面，其中部分目标就是希望能处理大尺度的场景，比如飞行模拟器等。这里侧重要解决的是大规模情况下的问题，比如地形绘制，包括地面上的植被和建筑物；同时还要考虑动态方面的问题，通过一些数据的组织，同时对模型采用一些简化方法来处理。因为在数据量很大的情况下，我们需要找到一种有效的方法去达到目的。另外，我们要有很好的计算能力，要支持复杂的成色，并很好地支持光照。

我们现在在普通的PC机上做一些画面，比如纹理合成，支持反色，主要是验证阴影和水面倒影的效果；多通道信息也需要我们支持很多反源画面。这个PC机是两个CPU带一个GPU，同普通集群计算机不大一样，每个节点上都有高端显示卡来支持。大家知道在很多应用里面，地形的数据是很大的，比如原来是10GB的数据，经过一段时间就变化为20GB了。我们目前研究的一种方法是对地形数据进行压缩，原来的数据如果大于10GB，压缩完后只有15MB，所有的数据都可以压得非常小。同时，我们有一个非常有效的组织来进行从应用到内层有效地变动，使得我们在几个GB数据里面能进行无缝的连接。我们采用金字塔树状，只用9棵树就可以产生非常复杂的植被效果，达到大尺度绘制的目的。

在室内复杂的会议室光照条件下，我们怎样做出大尺度时的类似效果呢？关键问题在于你使用时，随着场景变化，采集的数据可能会失效，能够有效地利用它才是问题的根本所在。但是，如果人在运动、场景在变化怎么办？我们把动态模型用球类去逼近它，用近似的技术来达到我们的目的，这种方法的效果很好。利用一个点，转变给指数空间里，把原来的乘法运算转变成加法运算，有一堆球逼近的时候它就变化，这大概是非常近似的。利用这个效果，可以做出非常复杂条件下阴影的自然效果，目前，这个影像研究还在进行当中。

与之配套的是，要建立一个有效的场景组织，这套系统就是模型系统，把建好的模型组建起来，使它形成一个有机体来达到目的。我们的方法实际上是通过一系列搭积木的方式，这个系统目前正在做一些应用，其中一项应用就是城市规划。比如为杭州市西湖边做的模型就是利用我们建模的一些成果，用了15天建了6平方公里的数据，这个数据主要是用于规划，除了城市规划之外，这个系统在高速公路的规划上也有应用。