Введение к работе
Актуальность проблемы
Одной из наиболее динамичных отраслей информатики, ставшей необходимым инструментом в работе ученых и инженеров, является машинная графика. Методы растровой графики позволяют создавать цветные изображения высокого качества. Однако для решения задачи визуализации сложных трехмерных сцен, содержащих десятки и сотни тысяч графических примитивов, требуются огромные вычислительные затраты. В настоящее время существует достаточное количество высокопроизводительных графических станций и суперкомпьютеров фирм SGI, HP, Sun. Эти системы характеризуются следующим образом: использование конвейерной и параллельной обработки; очень широкий спектр областей применения; ориентация на сверхвысокий уровень качества изображений; наличие развитых, стандартных средств разработки программного обеспечения (ПО) (OpenGL, РЕХ); очень высокая стоимость аппаратных средств. Таким образом, графические станции ориентированы на решение задачи визуализации вообще и нэ учитывают конкретные требования в узких областях применения. Поэтому для некоторых узких областей применения Зй-графики, например, в тренажеростроение, имеет смысл отказаться от применения дорогостоящих графических систем широкого назначения и сделать выбор в пользу разработки параллельных систем визуализации с заданными характеристиками.
В последние 2-3 года на рынке вычислительной техники появилось около полутора десятков «деи^вых» процессоров трехмерной графики, которые ориентированы на применение в персональных компьютерах и рабочих станциях средней производительности. Некоторые из Зй-процессороа сочетают умеренную стоимость с достаточно высокой производительностью и качественной графикой, например, процессоры 3Dfx фирмы Voodoo Graphics и Permedia фирмы 3Dlabs Эти процессоры обеспечивают на тесте 3Dtex-Triangles (вывод текстурированных треугольников площадью 50 пикселей) производительность 700-1000 тысяч треуг./с. Графические суперкомпьютеры последней серии Опух2 фирмы SGI на этом тесте показывают производительность 5.5-80 млн. треуг,/с. Кроме того, для 30-процессороэ производители предлагают свои собственные средства разработки ПО (Voodoo Graphics - Glido, 3Diabs - CGL). Таким образом, no сравнению с коммерческими графическими суперкомпьютерами 30-процессоры имеют: меньшую производительность (в 5-100 раз); меньшую точность (упрощенные модели освещения, меньшая разрядность данных); нестандартные средства разра-
ботки ПО, возможность реализации оригинальных идей по повышению производительности; существенно более низкую стоимость (до 1000 раз),
Таким образом, актуальной научной проблемой является создание параллельных систем визуализации трехмерных сцен конкретного применения на базе крупных, специализированных вычислительных модулей.
Цель диссертационной работы состоит в разработке и повышении производительности параллельных систем визуализации трехмерных сцен конкретного применения на базе крупных, специализированных вычислительных модулей. Для достижения поставленной цели в работе должны решаться следующие задачи:
- исследование основных способов организации параллельной обработки в
задаче визуализации;
-- разработка, реализация и анализ параллельной системы. визуализации на базе многопроцессорной станции обработки изображений TIP-Set;
разработка принципов и методов распределения потоков данных в системе визуализации с целью снижения суммарного времени простоя и повышения общей производительности системы;
разработка методики проектирования параллельных систем визуализации с заданными характеристиками, позволяющей максимально использовать весь потенциальный параллелизм в задаче визуализации.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
-
Разработаны принципы распределения потоков данных для обеспечения сбалансированной загрузки вычислительных модулей в ВС визуализации с целью повышения производительности системы. Разработан ряд методов распределения потоков данных в параллельной системе визуализации, позволяющих минимизировать простой процессоров.
-
Предложена новая форма представления прикладной задачи в виде объектно-функциональной схемы организации вычислений, которая учитывает единство и неразрывность структур данных и алгоритма и позволяет выполнять распредзленив вычислений в пространстве структур данных и пространстве алгоритма. Разработана методика проектирования параллельных ВС визуализации, использующая алгоритм поярусного распределения обьектно-функциональной схемы задачи визуализации по вычислительным модулям, которая позволяет максимально реализовать возможности параллельной обработки и увеличить производительность систем визуализации.
Практическими результатами являются:
-
Разработан параллельный бинарный алгоритм слияния изображений объектов в единое изображение сцены с 1од2Ы-связным графом потоков данных (N-число процессоров). Использование этого алгоритма позволяет ускорить процесс,слияния и упростить разработку коммутационной среды.
-
Разработана параллельная ВС визуализации на базе многопроцессорной станции TIP-Set, использующая параллельную обработку в пространстве изображения.
-
Реализован и экспериментально исследован ряд методов распределения потоков данных в системе визуализации на базе станции TIP-Set. Предложены рекомендации по их использованию.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на 5-ой и 6-ой Международных Конференциях ГРАФИКОЙ (С.Петербург, 1995, 1996), 2-ой Международной конференции по применению компьютерных систем (Щецин, Польша, 1995), 10-ом Международном симпозиуме по вопросам высокопроизводительных компьютерных систем HPCS (Оттава, Канада, 1996), а также на отчетных семинарах Центра Транспьютерных Технологий СПбГЭТУ (С.-Петербург, 1995 - 1997).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Структура работы
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 58 наименований. Основная часть работы изложена на 141 странице машинописного текста. Работа содержит 66 рисунков и 5 таблиц.