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基于GPU集群系统的并行绘制技术研究

作　者: 王观武
导　师: 曾亮
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 并行绘制 GPU集群体系结构负载平衡
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着计算机图形处理硬件的持续发展,软件的不断完善,特别是1998年后随着可编程图形处理单元(Programmable Graphics Processing Unit, GPU)的出现和发展,图形绘制技术已经深入并影响着人类生产、生活各个方面。与此同时随着社会的发展,各个应用领域也对图形绘制提出了更高的要求,特别是数据规模不断扩大,绘制场景更加精细,单机上完成图形绘制往往达不到这个要求。因此,并行绘制技术成为近年来的研究热点。并行绘制技术发展迅速,许多技术得到开发,许多典型系统得到应用。其中GPU集群系统发展迅速,它具有强大的图形显示功能,同时又拥有一定计算能力。本文对基于GPU集群的并行绘制系统的关键技术进行了深入研究,是对传统并行绘制技术应用领域的一个扩展,完成的主要工作和取得的主要研究成果如下:首先,提出了基于GPU集群的并行绘制体系结构。该体系结构充分发挥了GPU集群的特点,是对传统的并行绘制适用范围的一个扩展。该体系结构为典型的sort-last类体系结构,同时又构建了堆叠显示的显示区域网络,对每个显示区域进行独立的二分交换合成算法,取得了不错的性能,绘制真实感和高分辨率;同时将GPGPU技术应用于基于GPU集群的并行绘制体系结构中,充分发挥现代GPU的各项潜能。其次,提出了GPU集群上基于数据包围盒的KD树动态划分策略。针对静态数据划分存在负载不平衡的问题,动态划分策略本身算法开销太大的问题,使用基于数据包围盒的KD树动态划分策略,并阐述了其在GPU上的实现,在场景数据分布不均匀或变化剧烈的情况下,取得较好的性能提升。最后,研究了基于ParaView的并行绘制开发环境和实现了一个通用并行绘制开发环境。ParaView为可视化领域应用广泛的成熟的可视化平台。本文研究了利用其功能扩展插件功能实现并行绘制的方法。该开发环境功能强大,但是修改量太大,且性能下降较大。结合基于GPU集群系统的并行绘制体系结构研究和基于数据包围盒的KD树动态任务划分策略研究,依据尽可能小的修改原单机绘制程序的目标和性能尽可能高的原则,本文构建了通用的并行绘制开发环境,描述了开发环境的实现步骤,明确了各模块的功能等。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-11
第一章绪论  11-27
  1.1 课题研究背景  11-16
    1.1.1 传统的图形流水线  12-13
    1.1.2 并行绘制系统分类  13-16
  1.2 国内外研究现状  16-25
    1.2.1 并行绘制研究热点  16-20
    1.2.2 现有并行图形绘制系统  20-25
  1.3 论文研究内容和章节安排  25-26
  1.4 论文研究成果  26-27
第二章基于GPU 集群系统的并行绘制体系结构研究  27-52
  2.1 并行绘制技术发展情况  27-36
    2.1.1 影响并行绘制体系结构设计的主要因素  27-31
    2.1.2 并行绘制系统各类型研究  31-33
    2.1.3 GPU 的发展  33-35
    2.1.4 着色语言  35-36
  2.2 基于GPU 集群系统的并行绘制体系结构  36-45
    2.2.1 GPU 集群系统  36-38
    2.2.2 基于GPU 集群系统的并行绘制体系结构  38-42
    2.2.3 实验结果  42-45
  2.3 使用GPU 进行通用计算加速  45-51
    2.3.1 数组数据到纹理数据的转换  45-46
    2.3.2 缓存扩展技术  46-48
    2.3.3 使用FBO 实现离屏渲染  48-49
    2.3.4 实验结果  49-51
  2.4 本章总结  51-52
第三章基于GPU 集群并行绘制系统任务划分策略研究  52-70
  3.1 负载平衡目的  52-53
  3.2 任务划分方法介绍  53-59
    3.2.1 图形绘制的负载分析  54
    3.2.2 负载平衡算法分析  54-59
  3.3 基于数据包围盒KD 树动态任务划分策略  59-69
    3.3.1 任务划分性能分析  60-64
    3.3.2 KD 树  64-65
    3.3.3 基于数据包围盒的KD 树任务划分策略  65-67
    3.3.4 实验结果  67-69
  3.4 本章总结  69-70
第四章基于GPU 集群系统并行绘制开发环境设计  70-91
  4.1 基于ParaView 的并行绘制开发环境研究  70-83
    4.1.1 ParaView 介绍  70-71
    4.1.2 基于ParaView 的并行绘制开发环境研究  71-80
    4.1.3 基于ParaView 的并行绘制开发环境应用实例  80-83
  4.2 通用并行绘制开发环境设计  83-89
    4.2.1 通用并行绘制开发环境设计  84-85
    4.2.2 性能优化  85-86
    4.2.3 系统实现  86-89
  4.3 本章总结  89-91
第五章总结与展望  91-93
  5.1 本文工作总结  91-92
  5.2 未来展望  92-93
致谢  93-94
参考文献  94-97
攻读硕士期间论文发表情况  97-98
攻读硕士期间参加的科研项目  98

基于GPU集群系统的并行绘制技术研究

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