일반기술

계층적 자료구조의 결합을 이용하여 적응적으로 부하균형된 병렬 볼륨 렌더링 방법

* 배경 및 요약3차원 볼륨 데이터를 가시화하는 효과적인 방법은 직접 볼륨 렌더링으로 이는 원시 데이터에 일체의 가공없이 데이터를 그대로 읽어들여 렌더링후 가시화하는 방법을 말한다. 대용량 데이터는 사실상 단일 PC 에서는 처리가 불가능하므로, 렌더링 노드가 추가되는 수만큼 메모리와 계산 성능을 확장할 수 있는 병렬 렌더링 기법을 널리 이용하고 있다. 병렬 렌더링은 이미지 공간 기반(전-정렬) 또는 객체 공간 기반(후-정렬)으로 분류할 수 있는데, 그 중 후-정렬의 접근방법은 다양한 분야에서 사용되었다. 그러나 병렬적으로 처리되는 방법에 순차적으로 처리되어야만 하는 부분이 존재한다면 병렬 알고리즘은 그 성능이 제한될 수밖에 없다. 최근 들어 GPU, 메모리, 네트웍 장비, 저장 장치 등의 기술이 빠르게 발전함으로써 고성능의 컴퓨팅 환경을 구축하는 GPU-클러스터가 다양하게 이용되고 있다. 특히, 3 차원 텍스쳐 매핑은 GPU-클러스터를 이용한 3 차원 텍스쳐 기반의 병렬 볼륨 렌더링이 많은 각광을 받고 있다. 하지만, 이를 이용한 이전의 관련 기술들에서는 부하 균형 문제를 구체적으로 고려하지 않았는데 대부분 볼륨 데이터를 동일한 크기의 부볼륨으로 분할하여 정적으로 분산시켰기 때문이다. 이러한 정적 분할 기법은 태스크 병렬성의 관점에서는 자기균형을 쉽게 이룰 수 있지만 실제 데이터의 분배 비율이 비균등해 질 수 있다. 게다가, 이 문제는 렌더링 시 전달 함수가 수정되어 볼륨 데이터의 가시영역이 변경될 때는 더욱 빈번히 일어날 수 있는데 각 렌더링 노드들에 빈 공간 생략 기법들을 적용해도 해결되지 않는다. 빈 공간 제거는 기존의 옥트리를 활용하면 쉽게 구현 할 수 있지만, 병렬 렌더링의 부하 균형을 위해서는 빈 공간이 아닌 부볼륨 들을 같은 수로 묶어 각 렌더링 노드들로 전송해야만 하는데 이는 전체 계층구조를 깨트리게 되어 부볼륨들 의 가시 순서를 소실시킬 수 있다. 본 발명은 대용량 볼륨 데이터를 렌더링하기 위한 적응적이며 확장적인 부하 균형 방법에 관한 것으로, 그 목적은 데이터 내부의 빈 공간을 제거한 실제 데이터만 추출하고 이들을 병렬 렌더링 유닛에 균형있게 전송함으로써 전체적으로 향상된 렌더링 성능을 제공하기 위한 계층적 자료구조의 결합을 이용하여 적응적으로 부하 균형된 병렬 볼륨 렌더링 방법에 관한 것이다.* 특징 본 발명은 복수개의 병렬 렌더링 노드를 이용한 볼륨 렌더링 방법에 있어서, 전체 볼륨 데이터를 옥트리 계층 자료구조를 이용하여 일정한 크기의 작은 부볼륨으로 분할하는 단계와: 각 부볼륨중 빈 공간을 제외하고 실제 부볼륨만을 검출하는 단계와, 옥트리 계층으로 구조화된 실제 부볼륨들을 BSP트리 계층 자료구조를 이용하여 부하 균형되도록 그룹화 후 병렬 렌더링 노드로 전송하는 프리프로세싱 과정과; 지역 BSP트리를 탐색하며 부볼륨들의 렌더링 우선순위를 결정하고 렌더링 후 각 결과 영상들을 전역 BSP트리를 탐색하며 합성 우선 순위를 결정하여 최종 영상을 생성하는 실시간 렌더링 과정과; 실시간에 사용자의 요청에 의해 볼륨 데이터의 특정영역의 불투명도가 변경되어 전체 부하의 균형이 변경되었을 시 전체 데이터를 병렬 렌더링 노드로 재전송하지 아니하고 기 전송된 데이터간의 최소한의 통신만으로 부하의 재균형을 도모하는 것을 특징으로 한다.* 효과 본 발명에서는 우리는 GPU 클러스터를 이용한 후-정렬 기반 병렬 볼륨 렌더링을 위한 적응적 부하 균형을 도모하였다. 옥트리와 BSP-트리를 이용하여 빈 공간을 효과적으로 제거하였고 이들을 균등하게 병렬 렌더링 노드로 전송하였다. 3 차원 클러스터링 알고리즘은 계층구조를 재생성시켜 렌더링 순서를 오차없이 유지하게 하는 효과가 있다. 또한, 렌더링 실험의 결과 빈 공간 생략과 적응적 부하 분배로 종래의 정적 부하 분배 방법과 비교한 결과, 최대 22배의 병렬성을 증가시켜 더 나은 렌더링 성능을 얻는데 기여하는 효과가 있다. 그리고 전처리 과정에서 각 시간 단계별 각 데이터들에 대해 옥트리 및 BSP 트리로 적용할 수 있기 때문에, 시간-가변 데이터에 대해서도 확장 가능할 것으로 보인다. 또한, 최근 GPU 의 특징을 활용해 조기 광선 종료와 같은 또 다른 최적화 기법도 통합시킬 수 있는 효과가 있다.