图像代数多核并行计算类库的构建与优化

论文摘要

多核架构是处理器发展史上的重要里程碑。它的出现满足人们对更高性能的需求,特别是在油气勘探、气象预报、虚拟现实、人工智能等高度依赖于计算能力的场合,多核架构将显著地提升计算效率,而要真正地突显多核处理器的优势,软件的发展必须紧跟硬件的步伐,如何开发与多核相适应的软件日益成为计算机技术研究的热点,针对多核和多线程的软件开发将是未来十年软件开发的主要挑战,基于多核架构的并行计算将是软件开发史上的又一个重大变革。论文围绕图像代数并行计算类库的构建和优化展开研究,旨在寻求多核平台上高效简捷的并行计算支持方案。论文首先对多核体系结构、常用并行算法和适用软件工具进行比较分析;接着在剖析图像形态学腐蚀、膨胀、开运算、闭运算和细化等运算子算法的基础上,分析算法中存在的并行性,设计基于多核架构的图像代数并行计算类库;而后选择典型应用调用类库,使用vTune和Thread Profiler测试并行代码的性能数据,对类库从代码并行化和编译器优化两个方面进行优化;最后,在优化策略完成之后,根据Amdahl定律和Gustafson定律做出扩展性分析,得出客观的性能评价。随着图像监控技术在各行各业的应用日益广泛,以及图像采集向着高精度、大幅面和高频度发展,引发了对高性能图像处理的迫切需求。本文的研究利用多核体系实现高性能图像代数运算,进而可使由图像代数算子组合表示的图像处理运算效率极大提高,具有较高的应用价值。课题体现了应用创新。其特色与创新点一是将图像代数函数库由传统的串行计算改造为IA上的多核并行计算类库;二是采用最新技术进行并行代码的性能分析,实现计算软件的算法结构优化、编译优化和源码级优化,提高其运算效率和适应硬件发展的扩展性。课题采用的技术路线和方法带有普遍性,可以推广到其它函数库的并行改造。IA上的多核CPU面世不久,适应于这一体系的应用软件技术的研究并不多见,可以借鉴的相关资料和应用成果较少。本文对图像代数多核并行计算类库的构建、测试和优化进行初步的探索,许多研究专题还有待今后进一步拓展和深化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 论文结构
• 第二章 并行计算与多核架构
• 2.1 并行计算机
• 2.1.1 并行处理思想
• 2.1.2 并行计算
• 2.1.3 并行编程模型
• 2.2 多核架构
• 2.2.1 多核芯片
• 2.2.2 片上多核处理器体系结构
• 2.2.3 多核与超线程
• 2.3 多核并行计算技术
• 2.3.1 多核中的并行
• 2.3.2 多线程和并行程序设计结构
• 第三章 基于多核平台的编程技术
• 3.1 多核平台并行程序设计流程
• 3.2 Windows多线程编程及调优
• 3.2.1 基于Win32 API的多线程编程
• 3.2.2 基于MFC的多线程编程
• 3.2.3 .NET Framework多线程编程
• 3.3 OpenMP多线程编程及性能优化
• 3.3.1 OpenMP并行编程模型
• 3.3.2 OpenMP并行编程基础
• 3.3.3 OpenMP并行优化技术
• 3.3.4 OpenMP多线程应用程序性能分析
• 3.4 TBB多核编程简介
• 3.5 多核并行程序设计的关键问题及解决方法
• 第四章 图像代数多核并行计算类库构建与优化
• 4.1 图像代数多核并行计算类库设计与构建
• 4.1.1 与设备无关位图
• 4.1.2 CDib类的设计
• 4.1.3 核心函数库的设计
• 4.1.4 类库调用示例
• 4.2 图像代数多核并行计算类库优化和测试
• 4.2.1 性能数据的收集与分析
• 4.2.2 并行优化与正确性检查
• 4.2.3 编译器优化
• 第五章 图像代数多核并行计算类库性能评价与分析
• 5.1 性能评价方法
• 5.1.1 Amdahl定律
• 5.1.2 Gustafson定律
• 5.1.3 Sun和Ni定律
• 5.2 测试环境
• 5.3 测试结果及分析
• 第六章 总结与展望
• 6.1 回顾与总结
• 6.2 下一步工作的展望
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢