Details

Ландшафт приходится рисовать в реальном времени во многих приложениях — от игровых движков и тренажёров до геоинформационных систем. Карты высот в них достигают разрешения 32 768 × 32 768 пикселей и выше, а на отрисовку кадра при частоте 60 FPS отводится лишь 16,6 мс. Вывести всю такую поверхность целиком за это время не удаётся: бюджет кадра не позволяет. Отсюда и берётся необходимость в управлении уровнем детализации (LOD) — без него не обходится практически ни одна система визуализации ландшафта. Долгое время LOD-разбиение считали на центральном процессоре. ROAM (Real-time Optimally Adapting Meshes), геомипмэппинг, разнообразные квадродеревья — все они строили геометрию на CPU и передавали её на GPU уже готовой. У такой схемы два узких места. Первое — шина CPU–GPU: чем выше разрешение карты высот, тем больше геометрии через неё проходит и тем заметнее задержки. Второе — сам обход дерева: при большом числе секторов он начинает съедать время, сопоставимое с бюджетом кадра, и система перестаёт масштабироваться. Современные графические API дают выход из этого тупика. Механизм ExecuteIndirect и конвейер Mesh Shaders в DirectX 12 позволяют перенести формирование LOD целиком на GPU. Сложность в другом: чтобы динамически выделять и освобождать узлы дерева прямо в шейдере, нужна структура данных, допускающая параллельную модификацию без взаимоблокировок. Готовые движки здесь мало помогают — Unreal Engine 5 (Nanite) и Unity DOTS Terrain либо не раскрывают устройство аллокатора, либо опираются на приближения, при которых отсутствие T-образных стыков в динамике не гарантируется. Актуальность настоящей работы определяется, таким образом, недостаточной представленностью в открытых источниках верифицированного метода полностью GPU-Driven адаптивного рендеринга ландшафта, который сочетал бы параллельную аллокацию секторов на GPU, математически обоснованное правило 2:1 ограничения для устранения T-стыков и генерацию финальной геометрии посредством Mesh Shaders без промежуточных буферов на CPU. Данный вывод опирается на обзор существующих методов и программных решений, выполненный в разделе 1. Целью настоящей работы является разработка и обоснование метода рендеринга ландшафта в реальном времени, обеспечивающего адаптивное управление уровнем детализации полностью на GPU и интерактивную производительность при визуализации карт высот сверхвысокого разрешения (до 32k × 32k). Количественным критерием интерактивности при апробации принята частота кадров не ниже 60 FPS (бюджет кадра 16,6 мс). Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: Провести анализ предметной области: исследовать существующие теоретические методы управления LOD ландшафта и выполнить сравнительный анализ программных решений с выявлением их ключевых недостатков. Разработать теоретическое описание метода GPU-Driven адаптивного разбиения ландшафта на основе структуры Concurrent Binary Tree (параллельного двоичного дерева в видеопамяти, допускающего атомарное выделение и освобождение узлов без синхронизации между потоками GPU) с формальным обоснованием алгоритмов операций split/merge, схемы идентификации узлов GID и правила 2:1 ограничения. Спроектировать и реализовать GPU-Driven конвейер рендеринга ландшафта с применением Mesh Shading Pipeline (Amplification Shader + Mesh Shader) и системы Framegraph на базе DirectX 12 Agility SDK. Провести апробацию реализованного решения: выполнить функциональное тестирование корректности LOD-разбиения, измерить производительность по метрикам FPS и времени выполнения шейдеров, сравнить результаты с существующими подходами. Объектом исследования является процесс адаптивной визуализации ландшафта в системах рендеринга реального времени. Предметом исследования — метод управления уровнем детализации ландшафта посредством параллельных структур данных на GPU. Методы исследования. В работе использованы: системный и сравнительный анализ существующих теоретических методов и программных решений LOD-рендеринга ландшафта; формализация и алгоритмическое моделирование структур данных (Concurrent Binary Tree, схема Global ID, GID-Map) и правила 2:1 ограничения; методы проектирования и разработки программного обеспечения при реализации GPU-Driven конвейера на DirectX 12; экспериментальное исследование производительности средствами GPU-профилирования (NVIDIA Nsight Graphics) и верификация функциональной корректности методом обратного чтения данных (CPU-readback) состояния структур с GPU. Практическая значимость работы состоит в том, что разработанный метод может быть применён в игровых движках и симуляторах, требующих масштабируемой визуализации больших территорий без привязки к конкретному коммерческому решению. Исходные коды системы сопровождаются описанием архитектуры, что позволяет воспроизвести и расширить результаты в последующих исследованиях. Работа состоит из введения, четырёх разделов основной части, заключения, списка использованных источников и приложений. Первый раздел посвящён анализу предметной области и обоснованию актуальности. Второй раздел содержит теоретическое описание предложенного метода. Третий раздел описывает технологическое решение и архитектуру реализации. Четвёртый раздел представляет результаты апробации и сравнительный анализ.

The subject of the graduate qualification work is a method for adaptive GPU-driven landscape rendering with dynamic level of detail management using the DirectX 12 Mesh Shading Pipeline. The work aims to develop and validate a method for real-time landscape rendering that provides adaptive level of detail control entirely on the GPU and ensures interactive performance when visualizing ultra-high resolution heightmaps (up to 32k × 32k). The research analyzes existing LOD management techniques such as ROAM, geomipmapping, and quadtree-based CPU approaches, identifies their limitations related to CPU–GPU bus bandwidth and tree traversal overhead, and proposes a novel GPU-driven solution based on a concurrent binary tree structure in video memory with atomic split/merge operations and a formalized 2:1 constraint to eliminate T-junctions. The implementation employs the Mesh Shading Pipeline with amplification and mesh shaders, ExecuteIndirect, and a framegraph architecture built on DirectX 12 Agility SDK. Functional correctness is verified through CPU-readback of GPU data structures, and performance is measured using NVIDIA Nsight Graphics profiling tools against a 60 FPS interactive frame budget of 16.6 milliseconds. The practical significance lies in providing a verified, fully GPU-driven adaptive terrain rendering method applicable to game engines, simulators, and geographic information systems requiring scalable visualization of large territories without relying on proprietary commercial solutions. The work consists of an introduction, four main sections, a conclusion, a list of references, and appendices.