基于多核平台优化的OGRE

_updateAllRenderTargets();
_setRenderingComplete(true);
}
}
bool Root::renderOneFrame(void) {
if(!_fireFrameStarted())
return false;
if(mThreadedRendering) {
我们依次实现了这三个步骤后，选取了一些 OGRE 的标准测试程序，在英特尔 Pentium D 830 3.0GHz 双核平台上进行测试。
在对渲染系统优化之前，先测试 demo 程序的性能以方便和优化之后的性能对比。本 文的性能参数是以 FPS 为标准，FPS 即每秒钟的帧数，系统性能越高，则渲染一帧的时间
1．引言1
多核处理器体系结构通过在单个芯片上集成多个处理器内核，每个核都是一个完整的 处理器内核，都具有自己的逻辑单元、控制单元、执行单元，一级 Cache 通常独有，二级 Cache 可能共享也可能独有。
大多数现代的操作系统里，都是以线程为基本的资源分配和调度单位。在多处理器体 系结构中，多线程能充分利用多处理器体系结构，它使得每个线程能并行运行在不同的处 理器上。对于多核处理器体系结构来说，由于多核处理器中每个处理器内核都是一个完整 的内核，都能同时运行一个线程，能大大提高应用程序性能。
优化后平均 FPS 448.595 257.698 43.563 294.024 196.574 178.591 80.016 280.463 211.348
性能提高比例
19.4% 18.3% 8.8% 11.7% 11.9% 27.7% 14.4% 0.6% -3.4%
从实验结果可以看出，大部分的标准测试程序经过多线程优化后性能都得到了较大的 提升，性能提升比例大部分都在 10%以上，最高的甚至达到了 27.7%；但有的标准测试程 序性能出现了倒退，为-3.4%，这主要是因为其内部结构比较复杂，并行化效率很低，而且 在使用 OpenMP 进行循环迭代并行化和函数调用并行化时，创建、切换、终结线程等都有 一定的时间开销，反而降低了性能。但总的来说，本文的优化方法是成功的，有效的提高 了 OGRE 3D 渲染引擎的性能。
参考文献
[1] Ronen, R., et al. Coming challenges in microarchitecture and architecture [J]. Proceedings of the IEEE. 2001, 89(3): 325-340
[2] TCW Benjamin, EC Prakash. Game rendering: a material editor for the object-oriented game rendering engine[C]. Proceedings of the 2006 international conference on Game research and development. 2006: 199-206
多核平台以其特有的体系架构，有效的降低了芯片功耗，增加了晶体管利用率；同时， 多核平台与并行计算理论相结合，以多线程并行的方式使应用程序性能大为提高[1]。多核 平台的应用越来越广泛，逐渐渗透到计算机科学的各个领域，并将取代单核平台成为今后 处理器发展的主流方向。
然而目前在图形领域，多核平台的应用尚未扩展开。图形领域中的许多应用仍然是单 线程，也就是串行的，无法利用多核平台的优势。OGRE（Object-Oriented Graphics Rendering Engine），是图形领域中非常典型的一款面向对象的图形渲染引擎，它的类库提供了大量接 口，并对底层的 Direct3D 等图形库进行抽象，使得开发者可以非常轻松的调用 OGRE 图形 渲染引擎制作出各种各样的图形系统。此外，OGRE 3D 渲染引擎是一款开源的图形引擎， 由大量的专业技术人员开发和维护，更新迅速，功能强大，目前已广泛应用于游戏设计[2]、 科学模拟、图形绘制等多个领域。
_waitForRenderingComplete();
_setRenderingComplete(false);
_setStartRendering(true);
}
else {
_updateAllRenderTargets();
}
return _fireFrameEnded();
} 对生成帧的并行化是最底层的优化，在 OGRE 渲染系统的最初调用阶段就进行并行化， 能最大限度的提升性能。
图 3 函数级并行化
函数调用并行化属于应用层次，是最高层的优化，性能提升效果和应用程序关系较大。
4．实验结果与分析
根据第 2 节的介绍我们得知在多核平台下使用多线程机制能有效提高应用程序性能， 而在第 3 节中我们对 OGRE 渲染系统进行分析并总结出了多线程并行化的三个步骤：多帧 渲染、循环迭代、函数调用。
An Optimized OGRE 3D Render Engine Based on Multi-Core Platform
CHEN TianZhou1+, Chen Xueliang1, SHI QingSong1,
1 （College of Computer Science, Zhejiang Hangzhou，310027） + Chen Tianzhou：Phn：+86-571-87951793, E-mail：tzchen@
3.2 循环迭代并行化
OGRE渲染系统中存在着大量的循环迭代运算，即for形式的循环，消耗了大量的时间。 OpenMP方法提供了对for循环多线程并行化的子句：#pragma parallel for [clause] [4]。
OpenMP 的工作模式称为 Fork-join 模式。程序开始执行时，只有一条主线程。当主线 程运行到 OpenMP 的编译制导语句即进入并行区域时，主线程会衍生出一组子线程，这些 子线程和主线程一起并行执行完成任务，并行区域结束时，子线程全部合并到主线程，主 线程继续执行到程序终结。并行区域支持嵌套，此时原来的线程就成为子并行区域线程组 的主线程。OpenMP 的 Fork-join 模式如图 2 所示：
[3] Jeff Andrews. Threading the OGRE3D Render System. /cd/00/00/33/13/331 357_331357.pdf. 2006
[4] OpenMP Architecture Review Board. OpenMP.

越短，对应的每秒钟渲染的帧数越多，即 FPS 越高。实验结果如表 1 所示：
标准测试程序
BezierPatch CameraTrack
Crowd CubeMapping
Dot3Bump DynTex Instancing Lighting
ParticleFX
表1 性能优化对比
优化前平均 FPS 375.645 217.891 40.039 263.132 175.614 139.847 69.968 278.721 218.792
通过本文的分析，OGRE 渲染流程如图 1 所示：
图 图 1 完整的渲染流程
3．OGRE 渲染系统多核并行化
2.2 多帧渲染并行化
OGRE 渲染系统中的瓶颈通常在生成图像帧的阶段，如果生成帧的速度加快，则缓冲 区中能存储更多的图像帧，相应的保证了场景管理器渲染帧的速度加快。OGRE 渲染系统 的性能参数可以用 FPS（Frames Per Second）来衡量，即每秒钟渲染的帧数。当 FPS 值越 高时，显示效果越好，也代表渲染系统性能越高；而当 FPS 值越低时，显示效果越差，更 严重时甚至会出现“跳帧”，代表渲染系统性能越差。
图 2 OpenMP 的 Fork-join 模式
OpenMP 的结构和子句都有一定的时间开销，如果对一些迭代次数不多、内部结构非 常复杂的 for 循环进行优化，反而很有可能会降低性能。因此，在对 OGRE 渲染系统中的 for 循环进行优化时，要尽量选择迭代次数较多、内部结构简单的 for 循环，提高优化效率。
本文将使用 Win32 线程库和 OpenMP 方法，从多帧渲染、循环迭代、函数调用三个方 面对 OGRE 3D 渲染引擎进行多线程并行优化，并最终在多核平台上进行实验，由此得到 一个性能提高的 OGRE 3D 渲染引擎。
资助项目：国家自然基金 (60673149)，863 项目（2007AA01Z105） 联系作者：陈天洲，Email：tzchen@
对 OGRE 渲染系统内部的循环迭代优化，属于中等层次的优化，能在一定程度上提高 OGRE 渲染系统的性能。
3.3 函数调用并行化
在应用程序对 OGRE 提供的 API 函数进行调用时，可使用 OpenMP 提供的 sections 子 句进行并行化，前提是并行的函数之间无依赖性。函数级并行示意图如图 3 所示：
5．结论
近年来，多核平台的应用越来越广泛。多核平台与并行计算理论相结合，以多线程并 行的方式大大提高了应用程序的性能。本文针对图形领域中广泛使用的 OGRE 3D 渲染引 擎，从多帧渲染、循环迭代、函数调用三个方面进行了多线程并行优化，并在多核平台上 进行验证。实验结果表明，本文对 OGRE 3D 渲染引擎的优化方法是正确的，有效的提高 了 OGRE 3D 渲染引擎的性能，证明了多核平台和并行计算理论的优越性。
因此，为了提高OGRE渲染系统的性能，可以提高生成图像帧的速度。本文对图 1 中 的Render One Frame以及Update Render Target等阶段进行多线程并行优化，改变原有的串行
生成帧的模式，而使用Win32 API进行多线程化，同时注意线程之间的同步。对相关函数的 改动参考了Jeff Andrews的《Threading the OGRE3D Render System》[3]，如下所示：