GPU精粹2：高性能图形芯片和通用计算编程技巧

目录

第Ⅰ部分几何复杂性

第1章实现照片级真实感的虚拟

植物 5

1.1场景管理 6

1.1.1种植栅格 6

1.1.2种植策略 6

1.1.3实时优化 7

1.2草层 7

1.2.1通过溶解模拟Alpha透明 9

1.2.2变化 10

1.2.3光照 11

1.2.4风 12

1.3地面杂物层 12

1.4树和灌木层 13

1.5阴影 14

1.6后处理 15

1.6.1天空圆顶辉散 16

1.6.2全场景辉光 16

1.7本章小结 17

参考文献 18

第2章使用基于GPU几何体剪切图

的地形渲染 19

2.1几何体剪切图简介 19

2.2GPU实现概览 21

2.2.1数据结构 22

2.2.2剪切图大小 22

2.3渲染 23

2.3.1活动层 23

2.3.2顶点和索引缓冲区 23

2.3.3视锥剪切 24

2.3.4DrawPrimitive调用 25

2.3.5顶点着色器 25

2.3.6像素着色器 27

2.4更新 28

2.4.1升采样 28

2.4.2残差 29

2.4.3法线图 30

2.5结果和讨论 30

2.6本章小结和改进 31

2.6.1顶点纹理 31

2.6.2去掉法线图 31

2.6.3不需要存储空间的地形

合成 31

参考文献 31

第3章几何体实例化的内幕 33

3.1为什么要对几何体实例化？ 34

3.2定义 34

3.2.1几何体包 34

3.2.2实例属性 35

3.2.3几何体实例 35

3.2.4渲染和纹理场景 35

3.2.5几何体批次 36

3.3实现 37

3.3.1静态批次 38

3.3.2动态批次 39

3.3.3顶点常量实例化 40

3.3.4几何体实例API批次 43

3.4本章小结 46

参考文献 48

第4章分段缓冲 49

4.1问题空间 49

4.2解决方案 50

4.3方法 50

4.3.1分段缓冲的第一步 50

4.3.2分段缓冲的第二步 50

4.3.3分段缓冲的第三步 51

4.4改进分段缓冲技术 51

4.5本章小结 51

参考文献 51

第5章用多流来优化资源管理 53

5.1概览 53

5.2实现 55

5.2.1DirectX9.0中的多流 55

5.2.2资源管理 57

5.2.3处理顶点 59

5.3本章小结 63

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第6章让硬件遮挡查询发挥作用 65

6.1引言 65

6.2受益于遮挡查询的场景 66

6.3遮挡裁减 66

6.4层的停等方法 67

6.4.1为什么使用层 67

6.4.2层结构 67

6.4.3层的算法 68

6.4.4问题1：停滞 68

6.4.5问题2：查询的额外开销 68

6.5一致性层裁减 69

6.5.1想法1：猜测 69

6.5.2想法2：提升，提升 70

6.5.3算法 70

6.5.4实现细节 71

6.5.5停滞比较少的原因 73

6.5.6查询较少的原因 73

6.5.7如何遍历层 73

6.6优化 74

6.6.1用真正的几何体查询 74

6.6.2只有Z的渲染遍 74

6.6.3近似的可见性 74

6.6.4保守的可见性测试 74

6.7本章小结 75

参考文献 76

第7章带有位移映射的细分表面自

适应镶嵌 77

7.1细分表面 77

7.1.1一些定义 78

7.1.2Catmull-Clark细分 78

7.1.3用细分来镶嵌 79

7.1.4面片化表面 80

7.1.5GPU镶嵌算法 80

7.1.6致密镶嵌 84

7.2位移映射 84

7.2.1改变平滑度测试 85

7.2.2用法线映射着色 85

7.3本章小结 86

参考文献 86

第8章"para" label-module="para">

映射 87

8.1简介 87

8.2准备工作 89

8.3距离映射算法 89

8.4计算距离图 92

8.5着色器 92

8.5.1顶点着色器 92

8.5.2片段着色器 92

8.5.3关于过滤的注意事项 94

8.6结果 94

8.7本章小结 95

参考文献 96

第Ⅱ部分着色、光照和阴影

第9章S.T.A.L.K.E.R.中的延期

着色 101

9.1引言 101

9.2几种观点 102

9.3优化 103

9.3.1优化的对象 103

9.3.2光照优化 104

9.3.3G缓冲区建立的优化 106

9.3.4阴影优化 108

9.4改善质量 109

9.4.1“虚拟位置”的威力 109

9.4.2环境遮挡 110

9.4.3材质和表面光照的交互 111

9.5反走样 111

9.5.1高效的调和映射 113

9.5.2处理透明 114

9.6尝试过但没有包含入最终

代码的内容 114

9.6.1高程图 114

9.6.2实时的全局照明 115

9.7本章小结 115

参考文献 116

第10章动态辐照度环境映射实时

计算 117

10.1辐照度(irradiance)环境

映射 117

10.2球面调和卷积 119

10.3映射到GPU上 120

10.3.1空域到频域 121

10.3.2卷积和恢复 122

10.4以后的工作 123

10.5本章小结 123

参考文献 123

第11章近似的双向纹理函数 125

11.1引言 125

11.2采集 126

11.2.1建立和采集 126

11.2.2汇集着色图 127

11.3渲染 128

11.3.1细节算法 128

11.3.2实时渲染 129

11.4结果 130

11.5本章小结 132

参考文献 132

第12章基于贴面的纹理映射 133

12.1方法简介 134

12.2纹理贴面的构造 135

12.3纹理贴面打包 135

12.4纹理贴面映射 137

12.5mipmap问题 138

12.6本章小结 140

参考文献 140

第13章在GPU上实现mental

images的Phenomena

渲染器 141

13.1引言 141

13.2着色器和Phenomena 142

13.3用Cg实现Phenomena 143

13.3.1Cg顶点程序和可变

参数 144

13.3.2片段程序着色器的main()

入口点 145

13.3.3通用着色器接口 145

13.3.4一个简单的着色器

例子 146

13.3.5全局的状态变量 148

13.3.6光着色器 149

13.3.7纹理着色器 151

13.3.8凹凸映射 152

13.3.9环境着色器和体着

色器 153

13.3.10返回结构体的着色器 154

13.3.11渲染毛发 154

13.3.12组合所有东西 155

13.4本章小结 155

参考文献 156

第14章动态环境遮挡和间接光照 157

14.1表面元素 158

14.2环境遮挡 158

14.2.1多遍阴影算法 160

14.2.2改善性能 160

14.3间接光照和面光源 162

14.4本章小结 164

参考文献 164

第15章蓝图渲染和草图绘制 165

15.1基本原理 166

15.1.1中间渲染结果 166

15.1.2边增强 166

15.1.3深度子图形渲染 167

15.2蓝图渲染 167

15.2.1深度剥离 167

15.2.2析取可见边和不可

见边 169

15.2.3合成蓝图 170

15.2.4深度屏蔽 171

15.2.5使用蓝图渲染显示

建筑 171

15.3草图渲染 171

15.3.1边和颜色面片 172

15.3.2应用不确定性 172

15.3.3调整深度 173

15.3.4草图渲染的变体 173

15.3.5控制不确定性 174

15.3.6减少雨景效果 175

15.4本章小结 176

参考文献 176

第16章精确的大气散射 179

16.1引言 179

16.2解散射方程 180

16.2.1Rayleigh散射与Mie

散射 180

16.2.2相位函数 181

16.2.3外向散射方程 181

16.2.4内向散射方程 182

16.2.5表面散射方程 182

16.3实时渲染 182

16.4挤入着色器中 184

16.4.1去除一个维度 184

16.4.2去除其他维度 184

16.5实现散射的着色器 185

16.5.1顶点着色器 185

16.5.2片段着色器 187

16.6增加高动态范围渲染 188

16.7本章小结 188

参考文献 189

第17章利用像素着色器分支的

高效模糊边缘阴影 191

17.1现有的阴影生成技术 191

17.2用单张阴影图产生模糊

阴影 192

17.2.1模糊尖锐边缘阴影 192

17.2.2提高效率 195

17.2.3实现细节 196

17.3本章小结 199

参考文献 200

第18章将顶点纹理位移用于水的

真实感渲染 201

18.1水的模型 202

18.2实现 202

18.2.1水的表面模型 202

18.2.2实现细节 203

18.2.3对高度图采样 203

18.2.4质量的提高与优化 204

18.2.5渲染局部的扰动 208

18.3本章小结 209

参考文献 209

第19章通用的折射模拟 211

19.1基本方法 212

19.2折射掩码 213

19.3示例 215

19.3.1水的模拟 215

19.3.2玻璃的模拟 217

19.4本章小结 219

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第Ⅲ部分高质量渲染

第20章快速三阶纹理过滤 225

20.1高阶过滤 225

20.2快速递归三次卷积 226

20.3mipmapping 230

20.4导数重建 232

20.5本章小结 235

参考文献 236

第21章高质量反走样的光栅化 237

21.1概述 237

21.2降采样 239

21.2.1与现有软硬件的对比 239

21.2.2用GPU进行降采样 240

21.3延伸 240

21.4过滤器的细节 241

21.5两遍分离式的过滤器 242

21.6分块和累加 243

21.7代码 243

21.7.1渲染循环 244

21.7.2降采样类 245

21.7.3实现细节 246

21.8本章小结 246

参考文献 247

第22章快速的预过滤线条 249

22.1为什么尖锐的直线看起来很

糟糕 249

22.2限制信号的带宽 250

22.3预处理 252

22.4运行时 253

22.4.1线段的建立(CPU) 253

22.4.2表查找(GPU) 254

22.5实现的问题 256

22.5.1绘制宽线 256

22.5.2组合多条线段 256

22.6示例 256

22.7本章小结 258

参考文献 258

第23章NaluDemo的头发动画和渲染 261

23.1头发的几何体 262

23.1.1布局和增长 262

23.1.2控制头发 263

23.1.3数据流 263

23.1.4镶嵌 263

23.1.5插值 264

23.2动力学和碰撞 265

23.2.1约束条件 265

23.2.2碰撞 266

23.2.3鳍 266

23.3头发的着色 267

23.3.1用于头发的实时反射

模型 268

23.3.2头发中实时的体化阴影 271

23.4本章小结和未来的工作 274

参考文献 274

第24章使用查找表加速颜色变换 275

24.1查找表的基础知识 275

24.1.1一维查找表 275

24.1.2三维查找表 276

24.1.3插值 278

24.2实现 278

24.2.1把查找表映射到GPU

的策略 278

24.2.2Cg着色器 278

24.2.3系统集成 280

24.2.4把三维查找表扩展到用

于高动态范围图像 281

24.3本章小结 282

参考文献 282

第25章AppleMotion中的GPU图像处理 285

25.1设计 285

25.1.1喜爱的和厌恶的 285

25.1.2选择语言 287

25.1.3CPU向后支持 287

25.2实现 288

25.2.1GPU资源的限制 288

25.2.2被零除 289

25.2.3丢失的顶点分量 289

25.2.4双线过滤 290

25.2.5高精度存储 294

25.3调试 294

25.4本章小结 295

参考文献 296

第26章实现改进的Perlin噪声 297

26.1随机但平滑 297

26.2存储与计算 297

26.3实现细节 298

26.4本章小结 302

参考文献 302

第27章高级的高质量过滤 303

27.1在GPU上实现过滤 303

27.1.1访问图像样本 303

27.1.2卷积过滤 304

27.2数字图像的重采样 307

27.2.1背景知识 307

27.2.2反走样问题 307

27.2.3图像重建 310

27.3冲击过滤:锐化图像的方法 312

27.4过滤器的实现技巧 314

27.5高级应用 314

27.5.1时间变形 314

27.5.2运动模糊的消除 314

27.5.3自适应的纹理过滤 315

27.6本章小结 315

参考文献 315

第28章Mipmap级的测量 317

28.1哪个mipmap层是可

见的？ 318

28.2GPU抢险队 318

28.2.1像素点计数 318

28.2.2引擎中的实际考虑 321

28.2.3扩展 322

28.3实验结果 324

28.4本章小结 325

参考文献 326

第Ⅳ部分GPU的通用计算：初级读本

第29章流式体系结构和技术趋势 331

29.1技术趋势 331

29.1.1核心技术趋势 331

29.1.2后果 332

29.2高性能计算的关键 334

29.2.1高效计算的方法 334

29.2.2高效通信的方法 335

29.2.3与CPU对比 335

29.3流式计算 336

29.3.1流式编程模型 336

29.3.2构建一个流式处理器 337

29.4未来和挑战 338

29.4.1技术趋势 338

29.4.2功耗管理 338

29.4.3支持更高的可编程性和

功能性 339

29.4.4来自CPU的GPU功能性

(或反之亦然) 339

参考文献 339

第30章GeForce6系列GPU的体系结构 341

30.1GPU如何适合于整体计算

系统 342

30.2整体系统体系结构 342

30.2.1图形操作的功能结构图 343

30.2.2非图形操作的功能结

构图 346

30.3GPU特性 347

30.3.1固定函数特性 348

30.3.2着色器Model3.0编程

模型 349

30.3.3支持的数据存储格式 353

30.4性能 354

30.5达到最佳性能 354

30.5.1积极地使用z裁减 355

30.5.2加载数据时利用纹理

数学 355

30.5.3使用片段程序的分支 355

30.5.4尽可能使用fp16作中

间值 355

30.6本章小结 356

第31章把计算概念映射到GPU 357

31.1数据并行的重要性 357

31.1.1哪种类型的计算可以很

好地映射到GPU 357

31.1.2示例：在栅格上模拟 358

31.1.3流通信：聚集与散布 359

31.2GPU计算资源清单 359

31.3CPU-GPU类比 362

31.3.1流：GPU纹理=CPU

数组 362

31.3.2核：GPU片段程序=CPU

“内循环” 362

31.3.3渲染到纹理=反馈 362

31.3.4几何体光栅化=计算的

调用 363

31.3.5纹理坐标=计算的域 363

31.3.6顶点坐标=计算的

范围 363

31.3.7缩减 363

31.4从类比到实现 364

31.5一个简单的例子 366

31.6本章小结 368

参考文献 368

第32章尝试GPU计算 369

32.1选择快速算法 369

32.1.1局部性 369

32.1.2允许计算的准则 370

32.1.3考虑下载和读回 371

32.2了解浮点 371

32.3实现散列 373

32.3.1转换成聚集 373

32.3.2地址排序 374

32.3.3渲染点 375

32.4本章小结 375

参考文献 376

第33章在GPU上实现高效的并行数据结构 377

33.1流式编程 377

33.2GPU存储器模型 379

33.2.1存储器体系结构 379

33.2.2GPU流类型 380

33.2.3GPU核的存储器访问 381

33.3基于GPU的数据结构 382

33.3.1多维数组 382

33.3.2结构体 387

33.3.3稀疏数据结构 387

33.4性能考虑 391

33.4.1依赖的纹理读取 391

33.4.2计算频度和程序特化 391

33.4.3PbufferSurvivalGuide 392

33.5本章小结 393

参考文献 393

第34章GPU流程控制习惯用法 395

34.1流程控制的挑战 395

34.2基本的流程控制策略 396

34.2.1判定 396

34.2.2把分支向着流水线上端

移动 396

34.2.3z裁减 397

34.2.4分支指令 399

34.2.5选择一种分支机制 399

34.3使用遮挡查询的数据依赖

循环 400

34.4本章小结 400

第35章GPU程序优化 401

35.1数据并行计算 401

35.1.1指令级并行性 401

35.1.2数据级并行性 403

35.2计算频率 404

35.2.1循环内不变量的预

计算 405

35.2.2用查找表进行预计算 406

35.2.3避免内循环分支 407

35.2.4swizzle操作 407

35.3评价和负载平衡 408

35.4本章小结 409

参考文献 410

第36章用于GPGPU应用程序的流式缩减操作 411

36.1通过紧缩来过滤 411

36.1.1累加和扫描 412

36.1.2通过搜索/聚集来散布 413

36.1.3过滤性能 415

36.2动机：碰撞检测 416

36.3用于细分表面的过滤 419

36.4本章小结 421

参考文献 421

第Ⅴ部分面向图像的计算

第37章GPU上的八叉树纹理 425

37.1一个GPU加速的层次结构：

N3树 426

37.1.1定义 426

37.1.2实现 427

37.2应用1：在网格表面上色 431

37.2.1建立八叉树 431

37.2.2上色 432

37.2.3渲染 432

37.2.4把八叉树纹理转换成标准

2D纹理 434

37.3应用2：表面模拟 436

37.4本章小结 437

参考文献 438

第38章使用光栅化的高质量全局照明渲染 439

38.1通过光栅化的全局照明 440

38.2最终聚集简介 441

38.2.1两遍的方法 441

38.2.2最终聚集 441

38.2.3两遍方法的问题 442

38.3通过光栅化的最终聚集 443

38.3.1最终聚集光线的聚类 443

38.3.2光线投射作为多次平行

投影 445

38.4实现细节 446

38.4.1初始化 446

38.4.2"para" label-module="para">

38.4.3采样 447

38.4.4性能 447

38.5GPU上的全局照明渲染器 448

38.5.1第一遍 448

38.5.2生成可见点数据 448

38.5.3第二遍 448

38.5.4其他解决方案 449

38.6本章小结 451

参考文献 451

第39章使用逐步求精辐射度方法的

全局照明 453

39.1辐射度的基础 454

逐步求精 454

39.2GPU实现 455

39.2.1使用半球投影的可

见性 456

39.2.2构成因子的计算 458

39.2.3选择下一个发射者 459

39.3渐进细分 459

39.3.1纹理四叉树 459

39.3.2四叉数细分 460

39.4性能 460

39.5本章小结 460

参考文献 461

第40章GPU上的计算机视觉 463

40.1引言 463

40.2实现框架 463

40.3应用示例 464

40.3.1把一系列片段程序用于

计算机视觉 464

40.3.2求和操作 467

40.3.3创建全景照片的方

程组 469

40.3.4特征向量的计算 471

40.4并行计算机视觉处理 473

40.5本章小结 474

参考文献 474

第41章延迟过滤：困难数据格式的

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41.1引言 477

41.2为什么要延迟 478

41.3延迟过滤算法 479

41.4为什么它可以工作 481

41.5本章小结：何时延迟 481

参考文献 482

第42章保守光栅化 485

42.1问题定义 486

42.2两种保守算法 487

42.2.1剪切空间 487

42.2.2第一种算法 488

42.2.3第二种算法 489

42.3鲁棒性问题 492

42.4保守深度 492

42.5结果和本章小结 493

参考文献 494

第Ⅵ部分模拟与数值算法

第43章蛋白质结构预测的GPU

计算 497

43.1介绍 497

43.2Floyd-Warshall算法以及

绑定距离的平滑 498

43.3GPU实现 499

43.3.1动态更新 499

43.3.2数据纹理的索引 499

43.3.3三角形划分 500

43.3.4向量化 500

43.4试验结果 501

43.5本章小结和工作展望 502

参考文献 502

第44章用于解线性方程组的GPU框架 505

44.1概述 505

44.2表示 506

44.2.1“单浮点”的表示 506

44.2.2向量 506

44.2.3矩阵 507

44.3运算 509

44.3.1向量运算 509

44.3.2向量缩减 509

44.3.3矩阵与向量的积 510

44.3.4把所有的组合起来 511

44.3.5共轭梯度求解器 511

44.4一个偏微分方程的例子 512

44.5本章小结 515

参考文献 516

第45章GPU上的期权定价 517

45.1期权概述 517

45.2Black-Scholes模型 518

45.3Lattice模型 521

45.3.1二项模型 521

45.3.2欧式期权定价 522

45.4本章小结 525

参考文献 526

第46章改进的GPU排序 527

46.1排序算法 527

46.2一种简单的方法 528

46.3快速排序 529

46.3.1实现奇偶合并排序 529

46.4使用所有的GPU资源 531

46.5本章小结 535

参考文献 536

第47章复杂边界的流体模拟 537

47.1简介 537

47.2LatticeBoltzmann方法 538

47.3基于GPU的LBM 539

47.3.1算法介绍 539

47.3.2数据封装 540

47.3.3迁移 541

47.4基于GPU的边界处理 541

47.4.1基于GPU的体素化

方法 542

47.4.2周期性边界 543

47.4.3流出边界 544

47.4.4障碍物边界 544

47.5可视化 545

47.6实验结果 546

47.7本章小结 547

参考文献 548

第48章基于FFT的医学图像重建 551

48.1背景 551

48.2傅里"para" label-module="para">

48.2FFT算法 553

48.4在GPU上的实现 553

48.4.1方法1：主要使用片段

处理器 555

48.4.2方法2：使用顶点处理器、

光栅器和片段处理器 556

48.4.3负载平衡 558

48.4.4基准测试结果 558

48.5医学成像中的FFT 559

48.5.1磁共振成像 559

48.5.2MRI结果 560

48.5.3超声波成像 562

48.6本章小结 564

参考文献 565

本书延续了畅销书《GPU精粹》的第1卷，细述了在今天的图形处理器(GPU)上最新的可编程技术。随着GPU进入手机、手持游戏设备和游戏机领域，GPU专业知识在今天的竞争环境中显得更为重要。实时图形程序员会发现用于建立高级的视觉特效、管理复杂场景的策略和高级图像强大处理能力运用到其他计算密集型程序中，比如科学计算和金融。书中有20章专门讲述GPGPU编程，从基本的概念到高级技术。本书提供了一些专家撰写的最前沿的GPU编程技术，为读者介绍了利用GPU巨大功能的实用方法。

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