Решение задач компьютерной оптики на графических вычислительных устройствах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Появившиеся в последние годы методики использования графического процессора видеокарты для неграфических расчётов общего назначения (GPGPU: General-purpose graphics processing units), представленные компаниями ATI (2006 г., AMD FireStream) и NVIDIA (2007 г., CUDA: Compute Unified Device Architecture) дали импульс к разработке алгоритмов и программных комплексов решения задач компьютерной оптики на GPU.

Одними из первых на графических процессорах были реализованы вычисления по методу трассировки лучей (Rey Tracing), отличающемуся широкой распространенностью. На него обратили внимание разработчики технологии CUDA, представив свою реализацию на конференции NVISION08 (2008 год). Развитие этого направления связано как с изучением общих проблем отображения метода трассировки на архитектуру GPU (при использовании различных сеточных областей и деревьев), так и с разработкой специализированных программных комплексов (проекты RTE, Linzik).

Особое внимание в работе уделяется обзору реализаций FDTD метода (Finite-difference time-domain method) на GPU, позволяющего решать задачи дифракционной микро- и нанооптики в рамках строгой электромагнитной теории света. Представлен обзор работ по этому направлению: от первых исследований (с использованием текстур) до законченных программных решений (FDTD Accelerware, FastFDTD).

Об авторах

Д. Л. Головашкин

Институт систем обработки изображений РАН, Самара

Автор, ответственный за переписку.
Email: dimitriy@smr.ru

Доктор физико-математических наук, доцент

Ведущий научный сотрудник

Россия

Н. Л. Казанский

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)

Email: kazansky@smr.ru

Доктор физико-математических наук

Профессор кафедры технической кибернетики

Россия

Список литературы

  1. Боресков, А.В. Основы работы с технологией CUDA [Текст] / А.В. Боресков, А.А. Харламов – М.: ДМК Пресс, 2010. – 232 с.
  2. Фролов, В.В. Введение в технологию CUDA [Электронный ресурс] // URL: http://cgm.computergraphics.ru/issues/issue16/cuda.
  3. Flynn, M.J. Computer Architecture: Pipelined and Parallel Processor Design [Text] / M.J. Flynn – Boston: Jones and Bartlett, 1995. – 782 p.
  4. Берилло, А. NVIDIA CUDA – неграфические вычисления на графических процессорах. Часть 1 [Электронный ресурс] // URL: http://www.ixbt.com/video3/cuda-1.shtml.
  5. Скрябин, В. История появления графических процессоров [Электронный ресурс] // URL: http://cgm.computergraphics.ru/issues/issue18/gpuhistory .
  6. Krakiwsky, S.E. Graphics Processor Unit (GPU) Acceleration of Finite-Difference Time-Domain (FDTD) Algorithm [Text] / S.E. Krakiwsky, L.E. Turner and M.M. Okoniewski – Microwave Symposium Digest, June 2004. – P. 1033-1036
  7. Чеканов, Д. NVidia CUDA: вычисления на видеокарте или смерть CPU? [Электронный ресурс] // URL: http://www.thg.ru/graphic/nvidia_cuda/print.html.
  8. Brook and BrookGPU research projects at the Stanford University Graphics Lab [Electronics Resource] // URL: http://graphics.stanford.edu/projects/brookgpu/.
  9. Технология CUDA компании Nvidia [Электронный ресурс] // URL: http://www.nvidia.ru/object/cuda_home_new_ru.html.
  10. Технология ATIStream компании ATI [Электронный ресурс] // URL: http://developer.amd.com/gpu/ATIStreamSDK/Pages/default.aspx.
  11. Проект OpenCL [Электронный ресурс] // URL: http://www.khronos.org/opencl/ .
  12. Сравнение OpenCL с CUDA, GLSL и OpenMP [Электронный ресурс] // URL: http://habrahabr.ru/blogs/hi/96122/.
  13. Дифракционная компьютерная оптика [Текст] / под редакцией В.А. Сойфера. – М.: Физматлит, 2007. – 736 с.
  14. Казанский, Н.Л. Исследовательский комплекс для решения задач компьютерной оптики [Текст] / Н.Л. Казанский // Компьютерная оптика. – 2006. – № 29. – С. 58-77.
  15. Казанский, Н.Л. Математическое моделирование оптических систем [Текст] / Н.Л. Казанский – Самара: СГАУ, 2005. – 240 с.
  16. Horn, D. Interactive k-D Tree GPU Raytracing [Electronics Resource] / Daniel Horn, Jeremy Sugerman, Mike Houston, Pat Hanrahan // URL: http://graphics.stanford.edu/papers/i3dkdtree/ .
  17. Пакет OptiX [Электронный ресурс] // URL: http://developer.nvidia.com/object/optix-examples.html .
  18. Пакет RTE [Электронный ресурс] // URL: http://www.ray-tracing.ru/ .
  19. Пакет LINZIK [Электронный ресурс] // URL: linzik.com .
  20. CUDA, Published by NVIDIA Corporation – 2701 San Tomas Expressway Santa Clara, CA 95050 [Electronics Resource] // URL: http:/www.nvidia.com/object/cuda_home_new.html .
  21. Берилло, А. NVIDIA CUDA – неграфические вычисления на графических процессорах. Часть 2 [Электронный ресурс] //URL: http://www.ixbt.com/video3/cuda-2.shtml.
  22. Luebke, D. Interactive Ray Tracing with CUDA [Electronics Resource] / David Luebke and Steven Parker // URL: http://developer.nvidia.com/object/nvision08-IRT.html .
  23. Интерактивная трассировка лучей c использованием SIMD инструкций [Электронный ресурс] // URL: http://software.intel.com/ru-ru/articles/interactive-ray-tracing/.
  24. Taflove, A. Computational Electro-dynamics: The Finite-Difference Time-Do-main Method: 2nd. ed. [Text] / A. Taflove, S. Hagness – Boston: Arthech House Publishers, 2000. – 852 p.
  25. Price, D.K. GPU-based accelerated 2D and 3d FDTD solvers [Text] / D.K. Price, J.R. Humphrey and E.J. Kelmelis – Phisics and Simulation of Optoelectronic Devices XV, vol. 6468 of Proceedings of SPIE, San Jose, Calif, USA, January 2007.
  26. Durbano, J.P. FPGA-based Acceleration of the Three-Dimensional Finite-Difference Time-Domain Method for Elec-tromagnetic Calculations [Text] / J.P. Durbano – Global Signal Processing Expo & Conference (GSPx), 2004.
  27. Adams, S. Boppana Finite Difference Time Domain (FDTD Simulations Using Graphics Processors [Text] / S. Adams, J. Payne, R. Boppana – Proceedings of the 2007 DoD High Performance Computing Modernization Program Users Group Conference, 2007. – P. 334-338.
  28. Программное обеспечение для MATLAB, использующее графические процессоры с архитектурой CUDA [Электронный ресурс] // URL: http://www.nvidia.ru/object/matlab_acceleration_ru.html.
  29. Elsherbeni, A. The Finite Difference Time Domain Method for Electromagnetics: With MATLAB Simulations [Text] / Atef Elsherbeni and Veysel Demir – SciTech Publishing, 2009. – 450 р.
  30. FDTD solver компании Acceleware [Электронный ресурс] // URL: http://www.acceleware.com/fdtd-solvers .
  31. Головашкин, Д.Л. Методика формирования падающей волны при разностном решении уравнений Максвелла. Одномерный случай [Текст] / Д.Л. Головашкин, Н.Л. Казанский // Автометрия. – 2006. – Том 42, № 6. – С. 78-85.
  32. Головашкин, Д.Л. Методика формирования падающей волны при разностном решении уравнений Максвелла. Двумерный случай [Текст] / Д.Л. Головашкин, Н.Л. Казанский // Автометрия. – 2007. – Том 43, № 6. – С. 78-88.
  33. Страница пакета W2405 Agilent FDTD Simulation Element компании Agilent [Электронный ресурс] // URL: http://www.home.agilent.com/agilent/product.jspx .
  34. Страница пакета Concerto компании Cobham Technical Sevices [Электронный ресурс] // URL: http://www.vectorfields.com/concerto.php .
  35. Страница пакета SEMCAD X OPTICS компании Speag [Электронный ресурс] // URL: http://www.speag.com/products/semcad/solutions/optics/ .
  36. Страница пакета Xfdtd компании RemCom [Электронный ресурс] // URL: http://www.remcom.com/xf7.
  37. Страница пакета FastFDTD [Электронный ресурс] // URL: http://www.emphotonics.com/products/fastfdtd.
  38. СуперЭВМ и «Нано» [Электронный ресурс] // URL: www.nanometer.ru/2007/09/12/super_4233.html.
  39. Головашкин, Д.Л. Декомпозиция сеточной области при разностном решении уравнений Максвелла [Текст] / Д.Л. Головашкин, Н.Л. Казанский // Математическое моделирование. – 2007. – Том 19, № 2. – С. 48-58.
  40. Golovashkin, D.L. Mesh Domain Decomposition in the Finite-Difference Solution of Maxwell’s Equations [Text] / D.L. Golovashkin, N.L. Kazanskiy // Optical Memory & Neural Networks (Information Optics). – 2009. – Vol. 18, N 3. – P. 203-211.
  41. Сойфер, В.А. Нанофотоника и дифракционная оптика [Текст] / В.А. Сойфер // Компьютерная оптика. – 2008. – Том 32, № 2. – С. 110-118.
  42. Сойфер, В.А. Дифракционные оптические элементы в устройствах нанофотоники [Текст] / В.А. Сойфер, В.В. Котляр, Л.Л. Досколович // Компьютерная оптика. – 2009. – Том 33, № 4. – С. 352-368.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Вестник СГАУ, 2015

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах