[發(fā)明專利]協(xié)同GPU求解PDEs的影像輸出方法、裝置

有效

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• 申請日: 2012-10-19
• 公開（公告）號: CN103198506B
• 公開（公告）日: 2017-09-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李汶華;甘恒全
• 申請（專利權(quán)）人: 甘恒全
• 主分類號: G06T13/20
• 分類號: G06T13/20
• 代理公司: 廈門市新華專利商標(biāo)代理有限公司35203
• 代理人: 朱凌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明關(guān)于一種協(xié)同GPU作為求解偏微分方程式(Partial Differential Equations,PDEs)的高效能運(yùn)算與三維互動影像輸出的方法、裝置，特別是指完全由GPU進(jìn)行PDEs的運(yùn)算，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果完全由GPU繪制具有物理量變化的三維互動影像及輸出。

背景技術(shù)

由于科技發(fā)展的日新月異，高效能運(yùn)算已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在與民生息息相關(guān)的研究，如醫(yī)療診斷、3D互動式教學(xué)、全球氣候變遷、臺風(fēng)、海嘯、地震等天然災(zāi)害能量傳遞及破壞效果的預(yù)測。因此，大尺度計算模擬的重要性逐漸受到重視。憑借著低成本及低耗電量的優(yōu)勢，GPU衍然成為可以取代CPU作為高效能算的另類選擇。

又針對模擬邊界條件的建立而言，擴(kuò)增實境(Augmented Reality,AR)影像是一種新穎且快速的影像輸入方法，可以建立許多用于模擬的模型，例如建筑物，人體器官或大自然環(huán)境等等。

然而目前使用GPU作為求解偏微分方程式的高效能運(yùn)算的方法，傳統(tǒng)上只有將一部分工作由GPU裝置執(zhí)行，如圖5所示，圖示中CPU與GPU的協(xié)同運(yùn)算過程中：虛線方塊代表CPU要求GPU執(zhí)行的指令、實線方塊代表計算工作量執(zhí)行的位置、單實線箭頭代表CPU與GPU之間進(jìn)行資料傳輸，雙實線箭頭則代表由CPU管理掌握整個運(yùn)算模擬的進(jìn)行，由圖中看出CPU與GPU在運(yùn)算過程中都會涉及資料傳輸，在大量資料傳輸過程中往往造成影像延遲輸出，并且GPU在整個運(yùn)算過程中，仍有一大半時間處于未作業(yè)狀態(tài)，無法充分發(fā)揮GPU的效能。

另外，若只運(yùn)用CPU驅(qū)動擴(kuò)增實境技術(shù)，呈現(xiàn)高效能運(yùn)算得到的模擬結(jié)果，也遭遇到無法即時(REAL TIME)輸出三維動態(tài)影像的問題。

再請參閱圖6所示，針對圖5中GPU運(yùn)算有限體積法的分離通量(F＝f(Q))步驟，對于單核GPU而言，必須耗費(fèi)成本尋找相鄰的計算單元，當(dāng)所需計算資料龐大時，有時也是造成影像延遲輸出的因素之一。

發(fā)明內(nèi)容

為了完整發(fā)揮GPU高效能運(yùn)算的優(yōu)勢，同時克服影像輸出延遲的問題，本發(fā)明預(yù)計將PDEs的模擬運(yùn)算完全由GPU執(zhí)行，并且將模擬的運(yùn)算結(jié)果完全由GPU執(zhí)行繪圖及輸出，以達(dá)到即時(REAL TIME)輸出的效果，解決影像延遲的缺失。

本發(fā)明再提出一種利用擴(kuò)增實境(Augmented Reality,AR)作為三維影像輸入的技術(shù)，由CPU執(zhí)行擴(kuò)增實境三維影像的建立，以及根據(jù)三維影像設(shè)定座標(biāo)與邊界條件，結(jié)合GPU的高效能運(yùn)算，能夠整合擴(kuò)增實境三維影像即時輸出具有物理量變化的三維互動影像。

為達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案為：

協(xié)同GPU求解PDEs的影像輸出方法，包括以下步驟：A.由CPU執(zhí)行一三維影像的座標(biāo)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)座標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果設(shè)定模擬所需的邊界條件，以及將邊界條件輸入至GPU；B.GPU根據(jù)步驟A提供的邊界條件執(zhí)行一偏微分方程式的數(shù)值模擬；C.GPU依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果計算繪圖元素，而繪制具有物理量變化的視覺影像迭合在前述三維影像上，形成三維互動影像由一顯示單元輸出。

進(jìn)一步，在步驟B及步驟C中，CPU及GPU之間的資料傳輸僅涉及CPU傳輸工作指令至GPU，以及GPU完成工作后，傳輸回饋指令至CPU。

進(jìn)一步，其中步驟B的數(shù)值模擬系使用有限體積法，包含計算有限體積法的分離通量及計算有限體積法的狀態(tài)。

進(jìn)一步，在步驟C中，GPU結(jié)合CUDA語法加速計算速度。

進(jìn)一步，其中步驟A的三維影像系由一攝影單元拍攝一標(biāo)記的拍攝影像所產(chǎn)生的擴(kuò)增實境影像。

進(jìn)一步，其中該標(biāo)記為實體物或投影影像。

進(jìn)一步，在執(zhí)行步驟A之前，先由CPU執(zhí)行電腦系統(tǒng)程序初始化設(shè)定工作，包括有下列步驟：A1.在前述顯示單元顯示繪圖應(yīng)用程序被初始化；A2.CPU指定電腦主機(jī)所需的記憶體空間；A3.將所需模擬的偏微分方程式復(fù)制到GPU的記憶體空間；A4.使用擴(kuò)增實境工具啟動該攝影單元。

進(jìn)一步，在步驟C之后，包含有步驟D：由CPU執(zhí)行電腦系統(tǒng)程序結(jié)束工作，包括下列步驟：D1.釋放GPU的記憶體空間；D2.釋放電腦主機(jī)的記憶體空間；D3.結(jié)束該攝影單元的操作；D4.結(jié)束該顯示單元的操作。