基于多核CPU的并行体绘制算法应用研究

论文摘要

体绘制技术是科学计算可视化的一个重要手段,是描绘三维数据体内部结构信息的有效方法。然而,目前的体绘制算法计算量大、绘制时间长,不能满足实时交互式分析的要求。因此,如何提高体绘制算法的绘制速度成为可视化技术研究的一个重要目标。近几年提出了许多体绘制加速的方法,这些方法可分为三类:以图像质量为代价换取速度的方法、依赖于特定硬件的加速方法和在大规模并行机上实现的并行算法。其中,并行处理技术因其灵活性高,性能加速比大等优点成为提高体绘制速度的主要研究方向。并行处理技术(Parallel Processing)主要包括并行结构体系、并行算法和并行编程语言。并行处理技术通过并行编程语言把并行结构体系和并行算法结合起来进行研究,其核心思想是通过任务的合理划分和分配,使得多个处理器可以同时执行一个或多个任务,从而达到系统整体计算能力的大幅度提升。其中,在并行体绘制算法中,任务划分一般有两类:基于物体空间的划分和基于图像空间的划分。本课题研究主要有两部分,其一是分析VTK的并行机制并探讨其在多核CPU环境下的应用;其二是选择对图像空间进行任务划分的策略,在双核微机平台上实现基于OpenMP的并行光线投射算法。这种方法提高了算法的运算效率,具有一定的实际应用价值和一定的扩展适用性。VTK不仅具有强大的可视化功能,而且也提供了对于并行处理技术的支持,其集成的MPI(消息传递接口)和Sockets功能大大方便了并行可视化程序的开发。多核技术能够使服务器并行处理任务,为用户带来更强大的计算性能。跟传统的单核CPU相比,多核CPU带来了更强的并行处理能力、更高的计算速度和更低的时钟频率,并大大减少了散热和功耗。同时,OpenMP作为一种基于共享存储系统的并行编程工业标准,特别适宜于多核CPU的并行程序设计。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 第一节 课题的来源及背景
• 第二节 课题研究内容和论文结构
• 第三节 课题的创新之处
• 第二章 相关理论
• 第一节 体绘制技术算法基础
• 1.1 体数据的分类及表示方法
• 1.2 体绘制光照模型
• 1.3 体绘制算法分类
• 1.4 体绘制加速技术
• 第二节 规则数据场体绘制算法加速的一般方法
• 2.1 减少对空体元的采样或投影
• 2.2 减少投射光线的数目
• 2.3 利用图形硬件实现加速
• 2.4 光线提前终止
• 第三节 多核CPU及并行可视化
• 3.1 多核概述
• 3.2 并行可视化
• 第三章 VTK的并行处理
• 第一节 VTK中的并行机制
• 1.1 VTK概述
• 1.2 基于VTK的并行可视化
• 第二节 VTK并行机制在多核环境下的应用
• 2.1 多核环境VTK并行机制的应用
• 2.2 实验结果及讨论
• 第四章 基于OpenMP的并行体绘制算法
• 第一节 引言
• 第二节 OpenMP的并行程序设计
• 2.1 OpenMP概述
• 2.2 OpenMP的并行编程模型
• 2.3 OpenMP C/C++编程
• 第三节 并行体绘制算法概述
• 3.1 并行体绘制算法的分类
• 3.2 并行光线投射算法
• 第四节 多核CPU环境基于OpenMP的并行光线投射算法实现
• 4.1 算法的基本思想
• 4.2 算法的试验平台及预处理
• 4.3 算法的具体实现
• 4.4 实验结果及讨论
• 第五章 结论和展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表