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模拟地球 二 PS3同超级计算机的那些事儿

2017年10月27日 来源:模拟地球 大字体小字体

  因而构建一个虚拟地球,需要解决以下几个问题:全球角度空间数据模型的构造,海量地理空间数据(包括地形、影像)的组织、管理和调度,空间数据的三维可视化。

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  全球地形是虚拟地球的可视化基础。地形网格可以分为规则网格(RegularSurfaceGrid,RSG)和不规则三角网格(TriangulatedIrregularNetwork,TIN)两类(图2-5)。

  我们国家非常重视环境,并进行了大量的环境规划,包括生态的规划、对自然灾害的控制等等。在气候变化研究领域,有两个最主要的方法,一是依靠长期的资料积累进行研究和推测,而这个资料主要是在国外,所以我们没有发言权。第二是要有理论的模型,不是简单的推断。而没有大规模的超级计算和模拟是无法进行的,所以地球模拟数值装置是为我们的持续发展提供基础。

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  继续说AFRL,为了不让那一千多台还热乎的PS3就此沦为大兵哥打发时间的“高级玩具”,美国军方只能硬着头皮将PS3超级计算机项目坚持下去。2010年11月,由1760台PS3组成的超级计算机“秃鹰群”正式上线。 

  或许是担心遇到盗版问题,在2010年3月,索尼为PS3进行了3.21版固件升级,该固件移除了PS3系统中安装第三方操作系统的功能,而这也意味着用户无法再继续借安装第三方Linux来将PS3打造成超级计算机集群的终端节点。

  无论如何,我们还是要感谢索尼的“模拟地球”,毕竟索尼大法好,这还用说多点么!

  中科院大气物理所信息中心主任周广庆说,用目前这个原型系统,一天可以计算出地球的大气圈、水圈、岩土圈、生物圈等多个圈层6年的变化。

  索尼大法也不一定好

  地形数据又分为高程数据和影像数据,他们多采用分级组织、分块存储。

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  图4-1视景体(ViewFrustum)

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  投影理论解决了球面或椭球面不可展的难题(尽管不完美),从而建立了二维平面与实际球面三维空间的对应关系,球面网格理论则构建了全球空间数据高效访问的应用分析模型。

  目前流行的虚拟地球软件的数据组织方式,均采用瓦片四叉树结构。

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  多面体网格仅限于学术研究,鲜有工程化的实现。其最大优点就是每个网格单元扭曲很小,没有太大的数据浪费。这个特性非常有利于三维球面绘制。但缺点是在球面绘制时纹理映射比较复杂,另外在与地理坐标的转换上也是比较麻烦(图2-4)。

  在实现模型数据的管理时一般有两种方式,一是集成式存储,这种方式多用于存储自动建模或精细建模所生成的模型文件;另一种是以三维空间数据模型实现的模型数据(二维矢量数据是三维模型数据的一个子集),多以数据库的方式管理,其中三维空间数据模型由包含点、线、面、体这四类空间对象的空间实体构成,其索引可以采用三维R树来实现。

  若将地形特征根据一定规则连接成覆盖整个区域且互不重叠的三角形则构成一个不规则三角网格。TIN较好地顾及了地貌特征,能逼真地表示复杂地形的起伏,同时还能克服地形起伏变化不大的地区产生的数据冗余问题。但由于数据量大、数据结构复杂且构网困难,TIN一般只适合表示小范围大比例尺高精度的地形。TIN不仅要存储每个网格点的高程,还要存储点之间的拓扑关系,因而数据量较大。

  数据缓存有磁盘缓存和内存缓存,磁盘缓存用于将远程数据下载到本地硬盘,以提高数据加载速度,一般情况下磁盘缓存的大小是被限定的。

  球面网格的基本原理是将球面(参考椭球面)递归剖分为面积、形状近似相等且具有多分辨率层次结构的网格单元,采用单元对应的地址编码代替地理坐标在球面上进行操作。

  讽刺的是,在此之前索尼官方曾特别申明称索尼不会停止对PS3安装第三方操作系统的支持,于是当索尼食言后,部分心生不满的玩家很干脆地将索尼以“产品与广告宣传功能不符”及“索尼单方面破坏与PS3买家的销售协议”等理由告上了法庭。这官司一打就是好多年,下文将讲到,此处暂略过不提。

    日前,国人众筹游戏《地球OL》登陆Steam青睐之光,广阔沙盒世界、拟真生存系统、个性装饰打扮、真实物理伤害、庞大金融系统、多元社交方式、丰富社会分工,堪称打造了一个第二人生,这样的游戏你期待吗?

  据悉,Cell处理器的研发周期长达四年,光研发预算就高达4亿美刀。要说Cell处理器的牛逼之处在于其的浮点运算能力异常强大,以PS3搭载的Cell处理器为例,其单精度浮点运算达到204GFlops,双精度浮点运算达到15GFlops,亦即浮点性能和今天的i7处理器差不多。

  图2-3WorldWind网格系统系统

  所谓多分辨率金字塔就是用一系列网格表示统一地区的地形,相邻上下层次之间的网格的采样精度一般为1:4,因此在大范围地形显示时,采用较低精度的数据能大幅度缩短数据访问时间(图2-5a)。

  如果在每层网格上采用“分块策略”,则数据访问时间可进一步缩短,其基本思想就是将各层网格都细分为大小相等的矩形“瓦片”(Tile),这种数据结构也称为“瓦片金字塔”。其优点是一次读/写操作就能访问一个瓦片,并且经过甄别可以只访问所需的瓦片;缺点是数据冗余更多(图2-5b)。

  稍后于本月19日,新一期全球超级计算机500强榜单公布,其中我国的“神威·太湖之光”和“天河二号”再度携手夺得前两名。

  上月末,索尼官方正式宣布PS3主机在主产地日本停产,此举意味着一代神机的传奇终于要画上华丽的休止符。

  图2-1经纬度网格

  在与地形、影像等栅格数据相关的各类应用中,大范围三维地形实时浏览对数据组织和呈现方式的要求较高,主要体现在两方面:海量数据处理和球面模型建立。

  曾庆存透露说,“地球数值模拟装置”项目的模拟样机将于今年年底研制出来。

  美女特别提及了“十分之一”,想必编剧也听过AFRL的“秃鹰群”

  由于RSG存储量小、结构简单、操作方便、因而非常适合大规模使用和管理。但是,RSG对复杂地形特征难以确定合适的网格大小,在地形简单地区容易产生大量冗余数据,而在地形比较复杂的地区,又不能准确表示地形的各种微小起伏。

  图2-4GeoFusion网格系统

  目前与地理信息相关的信息绝大多数也是通过投影变换以平面的方式管理和使用,这已不能满足大范围甚至全球多分辨率海量数据管理的要求。

  基于经纬的球面网格的瓦片的数据采用经纬度加高程描述,符合人们的习惯,也比较直观,而在显示时,则要转换为空间直角坐标系。

  LOD技术是在不影响画面视觉效果的前提条件下,通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性,从而提高绘制算法的效率,其所遵循的原则就是能够模拟“越远越模糊,越近越清楚”这一视觉现象,通常利用视角高度(Eyealt)与瓦片尺寸的比来判定是否当前显示的瓦片是否需要分解为更高分辨率的子瓦片(图4-2)。

  为了在保证地形外观平滑的前提下尽量减少需要渲染的数据,有多种图形生成加速方法被提出,数据裁减、多细节层次技术(LevelofDetail,LOD)、异步数据加载、数据缓存、请求预测已经被广泛用于各种大规模地形场景的快速绘制算法中。

  RSG是最简单、最直接的数据模型,只需将覆盖区域划分为规则排列的矩形单元,数据实际上就是规则间隔的网格点或经纬网点阵列,每个网格点与其他相邻网格点之间的拓扑关系都隐含在该阵列的行列号中。根据该区域的原点坐标、网格间距和行列号,经过简单运算即可求得任意网格点的地理坐标。

  图2-2多面体网格

  最后要提一句的是,PS3能用来做超级计算机的梗甚至出现在了影视作品里:于美剧《疑犯追踪》的第五季第一集,主角一行需要一台性能足够强劲的超级计算机来释放某个对世界安危至关重要的AI,而在没有其他可用工具的前提下,主角临时将一堆废旧PS3组成了一台超级计算机,如此拯救了世界……

  三维空间数据是虚拟地球的基础。虚拟地球的数据主要包括地形数据、二维矢量数据和模型数据。

  数据裁减主要是视景体裁减(ViewFrustumCulling),视景体裁减的核心是计算视场的锥体裁减范围,即由视场角定义的上下左右四个面(类似照相机的视角)和由投影矩阵定义的远近剪切平面(类似照相机的景深),而后看三维实体(对于球面瓦片,可用其包容圆柱体)是否与视景体的相交或被视景体所包含(图4-1)。

  基于经纬度的球面本身就隐含了一个矩形网格系统,为了改进在高纬度地区单元变形严重的缺陷,GeoFusion(2005)将全球划分为6个区域,其中4个处于南北纬45度之间,采用矩形网格,两个处于高纬度地区,采用三角形网格,避免了高纬度地区使用矩形网格带来的变形,但数学模型较复杂。

  让我们继续说Cell处理器。正因为Cell处理器的强大性能,PS3发售前,久多良木健无比自信地将PS3形容成“终极的家庭娱乐设备”,但讽刺的是,由于Cell采用了特殊的架构,PS3成为当时游戏开发商最头疼的游戏主机平台,甚至连《GT赛车》系列的创始人山内一典都公开吐槽称“为PS3开发游戏简直是噩梦”。

  恰巧在节骨眼上,一桩大新闻发生了。

  2005年,美国谷歌公司推出了一款免费的虚拟地球浏览软件GoogleEarth(谷歌地球),给了人们一种全新的感受,数据动态装载、地形渐进描绘、多重细节层次(LOD:LevelsofDetail)和虚拟现实表现等已成为虚拟地球的典型技术特征。

  第一个公开吃螃蟹的是北卡罗莱纳州立大学计算机系的法兰克·米勒(FrankMueller)博士,他在2007年1月买了8台PS3,然后借助Linux系统组建一个PS3超算集群,还通过互联网分享了自己的成果。有必要指出,米勒博士搞这个是为了学术研究,至于“模拟地球”,不存在的事。

  “重力网”建成后,肯纳教授主要是用它来进行黑洞、引力波以及量子宇宙学方面的研究,并且特别值得一提的是,索尼得知肯纳教授的目的后,慷慨赞助了8台PS3。肯纳教授对“重力网”的性能相当满意,声称其性能抵得上100台基于Xeon处理器的PC所组成的计算机集群,随即尝到甜头的肯纳教授还通过自建的网站将自己构建“重力网”的经验与研究成果分享了出去。

  一、引言

  异步数据加载就是通过不同的线程加载瓦片数据,线程之间相互独立而又彼此关联,其工作原理是:主线程通过LOD算法与数据裁减计算出所需瓦片,如果瓦片不在数据缓存中,则将其添加到请求队列,当数据加载完毕,通知主线程瓦片可以使用,刷新视图。为了在数据加载时不影响显示的流畅性,主线程会先采用其上一级直至顶级的数据来绘制。异步数据加载还需剔除请求队列中因场景变换已不再需要加载的瓦片,避免资源的浪费。

  图3-1多分辨率金字塔

  在计算机交互式图形处理中,实时动画往往要求每秒25~30帧的图形刷新频率(至少每秒15~20帧),也就是说所有的建模、光照和绘制等处理任务必须在大约17微妙的时间内完成,对数据调度机制和图形绘制策略都提出了高的要求。

  图3-2瓦片四叉树

  经纬度网格符合人们的思维习惯,计算简单直观且与现有各类数据转换比较方便,容易进行纹理坐标的计算和坐标转换(地理坐标到三维直角坐标),在添加地理数据时,所做的工作也最少。缺点是网格单元形状不均匀,接近极点的时候,网格扭曲,数据浪费严重。(图2-1)

  图2-5RSG和TIN

  那么游戏主机界呢?其实倒也差不多,比起问世于2006年的PS3,间隔一个世代的PS4的浮点运算能力为1.84TFlops,而PS4Pro的浮点运算为4.2TFlops,号称当今最强的“天蝎”XboxOneX的浮点运算能力则高达6TFlops,更加不用提PC上的“游戏卡”GTX1080显卡浮点运算能力高达惊人的9TFlops。换言之,当年美帝大兵哥耗资200万美刀组建的PS3超级计算机“秃鹰群”,理论上直接用80台XboxBoxX就能搞定,而硬件成本估计才4万美刀。

  不过可惜的是,索尼因故在2012年停止了PS3对[email protected]的支持,至此五年内PS3共为[email protected]提供了总计1亿小时的运算时间,甚至[email protected]的发起组织潘德小组认为PS3玩家都是[email protected]的最大贡献者。

  将上述两则看似风马牛不相及的要闻结合在一起,不知有否让你想起了游戏圈内某则荼毒甚广的谣言——“PS3性能之强,强到能够模拟地球”呢?

  据介绍,中国科学院、中科院大气所、中科院计算技术所、中科院网络中心、中科曙光等几家单位共出资0.9亿元为该项目建设了专用计算机,其峰值计算能力不低于每秒1千万亿次,计算能力目前进入中国前十位;其存储总容量大于5PB;并针对性地对系统进行了地球系统数值模拟加速计算和软件性能优化。

  英特尔创始人戈登·摩尔(GordonMoore)曾提出了著名的“摩尔定律”,其大意为当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。换言之,每一美刀所能买到的电脑性能,将每隔18-24个月翻一倍以上(注:业界最新观点是摩尔定律已经于2016年失效)。

  采用“分层分块”策略的瓦片金字塔不但大大缩短了数据访问时间而且能够表示多分辨率数据,是海量地形数据组织的理想结构,通过与树结构的结合,具备了快速数据索引的功能,从而形成了大范围空间数据组织方式——瓦片四叉树。采用四叉树描述的瓦拓扑关系简单,其索引只涉及加、减、加倍和减半操作,可以通过效率较高的位运算实现(图3-2)。

  图4-2瓦片层次

  模拟地球?并没有

  下一步就是要建立一个框架,将这些混乱的数据输入模型之中,模型可以复制出地球上每天所发生的事情。当然,这种模拟器要想能够真正工作,还必须要社会学家、计算机科学家和工程师共同努力,制定出“活地球模拟器”的工作规范。

  全球网格主要分为经纬线网格和多面体网格。

  多分辨率的TIN不具备简单的跨越式空间结构,在执行诸如视景体裁减、碰撞检测等操作时显得更为复杂,并且对TIN的压缩算法也比较复杂,不利于数据的快速访问。

  目前主流的虚拟地球浏览器均采用基于经纬度的球面网格系统,其中GoogleEarth、NASAWorldWind采用统一的矩形网格(图2-3),ArcGlobe则采用GeoFusion的全球网格技术(图2-4)。

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