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。

2、三维图形技术发展对未来军用仿真的影响

2.1 利用基于GPU的并行渲染，使军事仿真的战场地形分辨率更高、地幅更大

随着电子信息技术的不断发展，仿真技术在军事领域得到普遍运用，军事仿真特别是作战仿真规模不断扩大，分辨率越来越高，三维战场可视化的应用愈加广泛。“高逼真场景模拟、大地形分页显示、数字地球仿真”等已成为军事战场仿真的重要研究方向之一。采用传统的CPU进行图形计算，即使是高性能的CPU处理器，也会出现渲染瓶颈，特别是针对大地形高分辨率虚拟演练，其图形刷新率难以满足军事指挥需求。利用GPU并行计算特性，通过引入的大量图形流水线和高吞吐量地形数据存取，可快速实现大地形网格生成、光栅化计算、纹理贴图、像素着色等密集型计算。目前一块普通的显卡其内部的晶体管数已达数十亿个，支持数百条流水线。以渲染40×40平方公里地幅，水平分辨率1米，垂直分辨率0.1米的高分辨率地形为例，采用市场上普通ATI5800显卡，CPU为Pentium4双核处理器，采用基于GPU的分页地形生成算法，场景渲染速度达到每秒200帧。而直接利用CPU来计算（屏蔽GPU硬件加速），渲染速度每秒不超过10帧。其次，利用GPU的统一架构、直接编程技术、批量渲染技术还可进一步利用空闲资源、增强图形渲染效率，在同一个画面中处理更多的对象，实现更多、更精细的地物渲染。这就为模拟系统支持更高分辨率、更多地貌、地物特征和更大地域的仿真演练提供了较强的物质和技术支撑。

2.2 实现基于GPU动态细节、特效仿真，使军事仿真训练环境更加真实、更加贴近实战

战争是紧张的、残酷的，特别是体现在对指战员心理上的影响。虚拟战场环境质量对参演人员的沉浸感有着极为重要的影响。目前一些军事仿真技术比较注重程序演练或技能训练内容的仿真，往往忽视了环境细节和特效的仿真。在军事类游戏中，如《武装突袭》、《闪点行动》、《使命召唤》等，能给人以身临其境的感受，其主要原因就是它具有强烈的战场烘托气氛，实现了大量的动态细节的仿真，如动态光影、动态植被、变幻的天气、运动模糊等以及各种特效模拟，如光影特效、烟尘特效、夜幕特效、枪弹声光特效，爆炸特效等。采用以往的CPU的计算，无法将最真实的细节画面呈现出来，利用GPU的并行计算和着色语言，可以实现更加复杂、更加多样的细节仿真，例如采用Shader技术可以模拟浓密的动态植被、大面积高逼真的动态水文；采用物理粒子效果，能模拟枪弹的飞行轨迹，营造枪林弹雨的战场气氛，或者用于爆炸仿真，能够模拟碎片轨迹，勾画出破坏过程，再配合大量烟雾，与碎片结合形成一副逼真而异常复杂的爆炸场景，从而提高受训人员的临场感。这些看似细小的处理技术，却深刻影响着模拟的真实性，使受训人员在进行模拟训练的同时，感受到与真实战场相近的心理压力，从而有效提高指战员遂行战斗任务的能力。

2.3 采用基于GPU的图形计算，使军事仿真的结果更加准确、可靠

模拟真实的战场，仅靠一个个模型和贴图是不够的，任何物体都遵守着其固有的物理参数，需要接近现实的物理特性，包括刚体动力、碰撞检测、流体与软性物体模拟以及物体破裂等。特别是对于作战仿真来说，这些计算直接决定了仿真结果的真实性。例如车辆的动力学、运动学计算，射击计算、毁伤计算等。在三维仿真当中，实现精确的计算与图形计算密不可分。车辆驾驶仿真需要根据三维地形数据计算车辆的受力情况、检测车辆与地形的碰撞情况等；射击仿真当中需要通过图形计算，根据弹丸飞行轨迹和弹着点及目标形体来计算命中结果、毁伤效果。现在随着图形技术的不断发展，特别是物理引擎技术的引入，使这些计算变得更加精确、可考虑的影响因素更多、计算速度更快。例如采用基于GPU的物理加速算法仿真斜面上的物体，每秒钟至少可以生成50000个以上带有物理特性的粒子或者刚性物体，能够实现复杂的碰撞、反弹、急冲等现象的模拟。在军事仿真中，用更多的图形计算替代以往的经验评价、指数计算，将大大提高模拟精度和可信度。例如在进行飞行器仿真时，可以根据飞行器的三维几何特性和飞行控制状态，进行复杂的空气动力学分析；进行装甲车辆仿真时，不但可以逼真模拟装备的动力学、运动学特性，还能实现车辆翻滚以及流体中的浮力效果等仿真；在进行弹药仿真时，可以进行复杂的弹道计算，并根据目标及所属部件的位置、体形计算直接毁伤效果以及爆炸破片的杀伤效果等。

2.4 采用基于GPU的并行计算，使军事仿真的兵力生成精度更高、速度更快

对兵力的模拟是军事仿真的核心内容。大规模、高分辨率兵力生成和高智能化行为仿真成为军事仿真的重要发展方向，但一直以来，规模与分辨率、效率与精度等之间始终存在相互制约的矛盾。以往通过架构高性能的服务器或实现一定规模的分布式仿真等方法解决此类高性能仿真问题，但由此带来较高的成本。近年来，利用GPGPU（General Purpose computing on graphics processing units，基于GPU的通用计算）的研究逐渐活跃起来，其主要用于地球物理、流体计算、数值分析、线形代数等领域。其中，大规模并行仿真和人工智能模拟成为近年来关注的一个热点，有关研究也在不断展开。如2007年Hubert Nguyen在《GPU Gems 3》一书中提出“GPU为大量的蒙特卡洛仿真提供了一个完美的平台”，并给出了实例；邵明等2011年发表了《基于GPU的并行化人群实时仿真》、同年肖峰撰写出《GPU高性能运算在计算机围棋博弈系统中的应用研究及实验》的论文等等。研究人员开始将GPU并行计算应用于复杂的计算领域。对于兵力生成而言，它是大量相同类型的数据集运算，与GPU的并行性特点和高吞吐量、密集型计算相一致，利用GPU的直接编程技术，可以为大规模实体建立海量的仿真线程，实现高效的位移算法、搜索算法，密集型蒙特卡洛法计算以及复杂的人工智能仿真等。

总之，随着GPU的可编程性、并行计算能力的不断增强，基于GPU的大规模、高分辨的兵力仿真将会得到广泛的推广与应用，它将为高性能军事仿真提供一种低成本、高效率、高稳定性、桌面化的解决方案。

参考文献

[1]游雄.《战场环境仿真》.解放军信息工程大学测绘学院,2006.8.

[2]Randima Fernando Cg教程[M].人民邮电出版社,2004-9.

[3] Hubert Nguyen.GPU Gems 3. Addison Wesley Professional,2007.8.

[4]汤再江,王精业等.《装备作战仿真中的虚拟现实及可视化研究》.计算机仿真,2004-7.

[5]白洪涛.《基于GPU的高性能并行算法研究》.中国优秀博硕士学位论文全文数据库,2010.4.

[6]邵明等.《基于GPU的井行化人群实时仿真》.计算机应用与软件,2011.1.

[7]肖峰.《GPU高性能运算在计算机围棋博弈系统中的应用研究及实验》.北京邮电大学,2011.