### 延伸图形管线与新的GPU加速原语
#### 摘要
本文提出了一种将新的图形原语（例如球体、圆柱体、椭球体等）集成到现有图形管线中的方法。该方法利用图形处理单元（GPU）进行两步操作：预选择可能的像素，并对每个候选像素执行基于解析表示的交集和光照计算。这些原语不仅与标准管线兼容，而且在任意缩放级别下都能保持完美的平滑度。此外，它们比细分后的原语消耗更少的带宽，且与其它原语（包括标准原语）具有正确的可见性和交集。
#### 引言
传统的图形卡主要用于绘制多边形几何原语（如纹理三角形），并使用Z缓冲来解决可见性问题。然而，随着第一代可编程GPU的出现，出现了使用新类型的原语的可能性。本文探讨了一些新颖的原语，这些原语使用光线追踪作为对象内部可见性的解决方案，并保留Z缓冲来解决对象间的问题。这些原语与标准管线完全兼容，无需额外的传递或预定义顺序。它们适用于多种可视化问题，包括张量可视化、分子可视化以及高质量的图例显示。该方法同时降低了带宽需求和处理时间，从而为这些应用提供了更好的性能。
#### 图形管线扩展的核心思想
1. **预选像素**：通过绘制一个包围所需图形原语投影的标准原语（通常是多边形）来预先选定可能的像素。
2. **片段程序处理**：对于每个预选的像素，执行一个片段程序，根据所代表的图形原语的解析表示来计算交集和光照。如果交集计算成功，则更新该像素的Z缓冲值。
#### 新图形原语的优点
- **完美平滑**：无论在何种缩放级别下，新图形原语都能保持完美的平滑度。
- **低带宽消耗**：相比于经过细分的原语，新图形原语消耗更少的带宽，因为只需发送一个点（如绘制一个球体仅需发送一个GL_POINT）。
- **正确的可见性与交集**：新图形原语与标准原语及其它图形原语之间具有正确的可见性和交集计算。
- **高效性**：新图形原语高度优化，能够减少带宽需求和处理时间，提高整体性能。
#### 技术细节
1. **第一步：预选像素**：
- 使用一种标准原语（通常是多边形）来包围所需的图形原语的投影。
- 通过标准的栅格化过程来确定可能包含新图形原语的像素集合。
2. **第二步：片段程序处理**：
- 对于每个预选的像素，执行一个片段程序来精确计算交集和光照效果。
- 如果计算出交集，根据新图形原语的数学方程更新Z缓冲值。
#### 相关研究
本文的方法不同于以往的研究，后者主要关注将光线追踪作为一种替代传统CPU光线追踪的技术。本文提出的GPU光线追踪方法是作为现有图形管线的一部分，而不是完全替代标准管线。
#### 结论
本文介绍了一种扩展图形管线的方法，通过引入新的GPU加速图形原语，实现了更加高效和高质量的图形渲染。这种方法不仅提高了渲染效率，还增强了图形的平滑度和真实感。此外，它还能广泛应用于多种可视化场景中，为用户提供更好的视觉体验。
