面向噪声等值面绘制的多GPU渲染并行处理装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种面向噪声等值面绘制的多GPU渲染并行处理装置及其方法，属于并行计算领域。包括：CPU处理模块和GPU模块。CPU处理模块主要完成数据的写入，数据的筛选和分类，各部分颜色的赋予，视线矢量方向的设置和编程环境的初始化工作。GPU模块主要完成实现算的法和可视化图形的绘制工作。GPU模块分为GPU主卡模块和GPU副卡模块。GPU主卡模块通过执行kernel函数对飞行事件中的噪声数据进行实时处理，同时利用噪声值变化规律预测各个时段的噪声数据；GPU副卡模块主要完成按帧交替渲染工作，驱动程序将CPU处理模块传来的每帧绘制命令按奇偶数发往各副卡，一块副卡渲染奇数帧，另一块副卡渲染偶数帧，通过多卡的协同工作，达到实时而高效的渲染目的。

【技术实现步骤摘要】
面向噪声等值面绘制的多GPU渲染并行处理装置及其方法
本专利技术属于等值线绘制领域，尤其涉及一种面向噪声等值面绘制的多GPU渲染并行处理装置及其方法。
技术介绍
随着民航业的飞速发展以及人们环境意识的逐步提高，机场噪声问题日益突出，如何有效地控制机场噪声对机场周边居民的影响是一个非常重要课题。为此，我国环境保护部门规定：在新建、改建以及扩建机场时，需要对机场周围进行噪声环境影响评估，而机场噪声等值面图是一种重要的机场噪声环境影响评估工具，能够为机场周围用地规划提供依据。因此，快速而精确地绘制机场噪声等值面图对机场噪声控制工作和机场规划设计具有重要意义。等值面是三维标量场可视化的基本表达形式，目前，主要的等值面绘制方法包括Lorensen等（1987）提出的步进立方体（marchingcubes）算法、Doi（1991）提出的步出四面体（marchingtetrahedron）算法、Herman（1979）提出的cuberille方法和Cline（1998）提出的分解立方体（dividingcubes）算法等。但现有算法大都在CPU模块上运行，而对于机场噪声数据这类庞大的数据集来说，CPU模块的运算效率远远不够。同时，由于机场噪声信息的采集周期较短，这样就对这类大数据量的实时渲染就有了较高的要求。传统的对于三维标量场的可视化渲染工作都是由单块GPU卡来完成，这对大数据量的机场噪声和实时渲染的要求就提高了挑战。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种利用三层结构的CUDA架构，实现并行计算；提高算法效率的面向噪声等值面绘制的多GPU渲染并行处理装置及其方法。本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种面向噪声等值面绘制的多GPU渲染并行处理装置，包括：CPU处理模块，用于数据的写入、数据的筛选和分类、各部分颜色的赋予、视线矢量方向的设置和编程环境的初始化；GPU模块，所述GPU模块由GPU主卡模块和GPU副卡模块组成；其中：所述GPU主卡模块通过执行kernel函数对飞行事件中的噪声数据进行实时处理，同时利用噪声值变化规律预测各个时段的噪声数据；所述GPU副卡模块由第一GPU副卡和第二GPU副卡组成；所述GPU副卡模块按帧交替实现渲染工作，所述第一GPU副卡用于渲染奇数帧，所述第二GPU副卡用于渲染偶数帧。作为优选技术方案，本专利技术还采用了如下技术特征：所述GPU主卡模块为NVIDIA支持CUDA系列显卡。所述第一GPU副卡和第二GPU副卡内的数据实时保持一致。一种面向噪声等值面绘制的多GPU渲染并行处理的方法；包括如下步骤：步骤一、CPU处理模块接收噪声数据采集装置的数据，并对数据进行筛选和分类、赋予各部分颜色和设置视线矢量方向、初始化编程环境；步骤二、从CPU处理模块的内存中复制数据到GPU模块的显存中，根据算法所需的资源分配线程的个数；步骤三、通过线程块和线程索引来计算和确定图形应在屏幕中显示的屏幕像素点的位置；步骤四、赋值，将屏幕中的所有像素点都赋予0，标记为未处理的单元；步骤五、计算各个像素点的空间三维坐标，并根据射线方向计算和求出射线进入方向；步骤六、从进入点出发，沿着射线的方向按照先后的顺序依次采用按照预先设定好的采样距离求出要采样的坐标点的点坐标，并从该点发散，选取周围的8个采样点综合得出各个点的颜色和不透明度值，最后也选取同样的方向进行累加和合成计算，如果出现有屏幕中的不透明度值在1.0左右则该光线的计算结束，否则按照同样的方向取下一个采样点，这样循环计算，直到到达离开点为止；步骤七、将累积的像素点最终的颜色值写入到GPU模块的显存空间中，并通过总线将像素颜色值从GPU模块的显存传到GPU模块的内存；步骤八、CPU模块将像素颜色值传给多GPU渲染模块进行绘制，同时完成副卡之间的数据同步工作。本专利技术具有的优点和积极效果是：通过采用上述技术方案，三维标量场中可视化算法的计算过程是相互独立的，计算方式具有高度的并行性，因此算法效率高，由于充分地利用三层结构的CUDA架构，实现并行计算；因此本专利技术从算法效率、绘制实时性和精度的角度考虑，在GPU模块上实现了一种基于等值面网格队列的等值面重绘算法，该算法主要从噪声预测的实时性、准确性和等值面的网格化绘制方法等方面展开研究。在等值面渲染层面，采用多GPU卡同时渲染以达到由噪声的低采样周期所带来的高实时性渲染要求。附图说明图1是本专利技术的功能模块示意图；图2是本专利技术的多GPU卡渲染模块结构图；图3是GPU内部渲染流水线。具体实施方式为能进一步了解本专利技术的
技术实现思路
、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：请参阅图1，一种面向噪声等值面绘制的多GPU渲染并行处理装置，包括：CPU处理模块，用于接收噪声数据采集装置的数据，从而数据的写入、数据的筛选和分类、各部分颜色的赋予、视线矢量方向的设置和编程环境的初始化；GPU模块，所述GPU模块由GPU主卡模块和GPU副卡模块组成；其中：所述GPU主卡模块通过执行kernel函数对飞行事件中的噪声数据进行实时处理，同时利用噪声值变化规律预测各个时段的噪声数据；所述GPU副卡模块由第一GPU副卡和第二GPU副卡组成；所述GPU副卡模块按帧交替实现渲染工作，所述第一GPU副卡用于渲染奇数帧，所述第二GPU副卡用于渲染偶数帧。作为优选技术方案，在本具体实施例中：所述GPU主卡模块为NVIDIA支持CUDA系列显卡，用来实现等值面绘制算法。所述第一GPU副卡和第二GPU副卡内的数据实时保持一致；即当第一GPU副卡和第二GPU副卡内的任一个数据发生修改变化时，另一个也会同步实现数据的修改变化。请参阅图2，图2为本专利技术的多GPU卡渲染结构图，首先，GPU模块的显卡工作时,GPU主卡模块GPU0和GPU副卡模块的数据是复制的，即数据内容是一样的。假如每块显卡的本地显存是2G，则可用显存仍然是2G。工作时，GPU副卡模块由第一GPU副卡GPU1和第二GPU副卡GPU2组成；渲染工作是按帧交替渲染。具体工作时，显卡驱动程序将CPU处理模块传来的每帧绘制命令按奇偶数发往不同的显卡。这样一块显卡渲染奇数帧，一块显卡渲染偶数帧。就实现了双卡同时工作，而且这样做也达到负载均衡的目的。请参阅图3，图3为GPU模块图形流水线的工作流程；包括如下步骤：步骤一、GPU模块从显存读取描述噪声值的数据，生成一批反映场景位置与方向的顶点；步骤二、由顶点着色（vertexshader）程序计算坐标和亮度值，在屏幕空间绘出构成等值面的顶点；步骤三、顶点被分组成三角形图元；步骤四、几何着色器（geometryshader）进行进一步细化，生成更多图元；步骤五、GPU模块中的固定功能单元对这些图元进行光栅化，生成相应的片元集合；步骤六、由像素着色器（pixelshader）从显存中读取纹理数据对片元上色和渲染；步骤七、根据片元信息更新噪声等值面图像，主要是可视度的处理；步骤八、由光栅化处理单元（ROP）完成像素到帧缓冲区的输出，帧缓冲区中的数据经过D/A输出到显示器上，完成的三维等值面的绘制。以上对本专利技术的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本专利技术的较佳实施例，不能被认为用于限定本专利技术的实施范围。凡依本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向噪声等值面绘制的多GPU渲染并行处理装置，其特征在于：包括：CPU处理模块，用于数据的写入、数据的筛选和分类、各部分颜色的赋予、视线矢量方向的设置和编程环境的初始化；GPU模块，所述GPU模块由GPU主卡模块和GPU副卡模块组成；其中：所述GPU主卡模块通过执行kernel函数对飞行事件中的噪声数据进行实时处理，同时利用噪声值变化规律预测各个时段的噪声数据；所述GPU副卡模块由第一GPU副卡和第二GPU副卡组成；所述GPU副卡模块按帧交替实现渲染工作，所述第一GPU副卡用于渲染奇数帧，所述第二GPU副卡用于渲染偶数帧。

【技术特征摘要】
1.一种面向噪声等值面绘制的多GPU渲染并行处理装置，其特征在于：包括：CPU处理模块，用于数据的写入、数据的筛选和分类、各部分颜色的赋予、视线矢量方向的设置和编程环境的初始化；GPU模块，所述GPU模块由GPU主卡模块和GPU副卡模块组成；其中：所述GPU主卡模块通过执行kernel函数对飞行事件中的噪声数据进行实时处理，同时利用噪声值变化规律预测各个时段的噪声数据；所述GPU副卡模块由第一GPU副卡...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕宗磊，谢继文，冯霞，王兴虎，胡欣，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：