計算機圖形學第十章基于GPU的圖形計算供《現(xiàn)代計算機圖形學基礎》配套使用1提綱圖形處理器GPU數(shù)值計算GPU快速建模GPU實時繪制21.1概念1.1.1

GraphicsProcessingUnit圖形處理器，由數(shù)以千計的更小、更高效的核心（專為同時處理多重任務而設計）組成的大規(guī)模并行計算架構31.1概念1.1.1

GraphicsProcessingUnit硬件結構Streamingprocessor(SP)：指令和任務處理的最基本單元Streamingmultiprocessor(SM)：多個SP和內存、寄存器等資源Warp：執(zhí)行程序的調度單位軟件結構Thread（線程）Block（線程塊）Grid（線程網格）1.1概念1.1.1

GraphicsProcessingUnitGPUvs.CPUGPU：單一性，眾多ALU，很少控制器，很少Cache，獨自寄存器CPU：通用性，很少ALU，較多控制器，眾多Cache，公用寄存器51.1概念1.1.2GPU并行處理利用眾多的計算核心，通過流式并行計算模式，同一時刻并行處理多個數(shù)據(jù)，解決極高的運算密度、并發(fā)線程數(shù)量和頻繁地存儲器訪問等數(shù)據(jù)訪問和計算問題計算密集型任務：頻繁的寄存器運算易于并行的任務：同時的數(shù)據(jù)處理61.1概念1.1.2GPU并行處理圖形學起源7光線跟蹤：forallpixels(i,j):Calculateraypointanddirectionin3dspace；ifrayintersectsobject: calculatelightingatclosestobject storecolorof(i,j)1.2GPU的發(fā)展1.2.1GPU發(fā)展第1代：3dfxVoodoo(1996)第一款3D游戲視頻卡幾何元素操作在CPU部分片元操作在GPU紋理映射Z-緩存81.2GPU的發(fā)展1.2.1GPU發(fā)展第2代：GeForce7500(1998)幾何元素操作轉移至GPU支持多種類型的紋理映射凹凸映射環(huán)境光映射使用AGP取代PCI進行數(shù)據(jù)傳輸91.2GPU的發(fā)展1.2.1GPU發(fā)展第3代：GeForce3(2001)頂點著色器，第一次允許幾何操作GPU編程支持更多類型的紋理映射體紋理多重采樣101.2GPU的發(fā)展1.2.1GPU發(fā)展第4代：GeForce6(2003)完全GPU編程頂點著色器和片元著色器可直接訪問紋理內存111.2GPU的發(fā)展1.2.1GPU發(fā)展第5代：GeForce8800(2006)通用計算目的的圖形處理器(GPGPU)出現(xiàn)引入幾何著色器(geometryshader)121.2GPU的發(fā)展1.2.2GPU計算能力的發(fā)展2008年~2017年，GPU計算能力提升7倍，而CPU計算能力僅提升不到2倍131.3CUDA的發(fā)展NVIDIA公司開發(fā)的并行計算平臺和編程模型CUDA指令集架構（ISA）GPU顯卡內部計算141.3CUDA的發(fā)展2010年以前CUDA1.0~3.0支持C語言和C++語言編程Fermi構架的GPU151.3CUDA的發(fā)展2010年~2020年~CUDA11.0支持深度學習、高性能計算等Ampere構架的GPU161.3CUDA的發(fā)展2020年~至今~CUDA12.0GPU底層訪問Hopper/AdaLovelace構架的GPU17提綱圖形處理器GPU數(shù)值計算GPU快速建模GPU實時繪制182.1原理一般準則19程序代碼+GPUCPUUseGPUtoParallelize計算密集型任務RestofSequentialCPUCode2.1原理GPU執(zhí)行任務(CUDA)內核(kernel)被喚醒，任務被分解為線程(thread)線程在GPU內以線程網格(grid)和塊(block)的形式組織三維數(shù)組形式每一個格指定一個內核20dim3dimBlock(8,8,8);dim3dimGrid(100,100,1);Kernel<<<dimGrid,dimBlock>>>(…);However,we'lloftenonlyworkwith1

dimensionalgridsandblockse.g.Kernel<<<block_count,block_size>>>(…);線程數(shù)=格數(shù)x塊數(shù)2.1原理GPU執(zhí)行任務(CUDA)內核(kernel)被喚醒，任務被分解為線程(thread)線程在GPU內以線程網格(grid)和塊(block)的形式組織三維數(shù)組形式每一個網格指定一個內核每一個塊指定一個SM在SM內部，塊分解為執(zhí)行共同指令的線程包(warp)在SM內部，所有包同時執(zhí)

行212.1原理GPU執(zhí)行任務(CUDA)22GPU心臟調度單位2.1原理GPU執(zhí)行任務(CUDA)內存組成全局內存：globalmem共享內存：sharedmem局部內存：localmem寄存器：register23GPU核心：NVIDIA全局內存：SAMSUNGNvidiaGeForceGTX7802.1原理GPU執(zhí)行任務(CUDA)內存訪問全局內存：網格共享內存：塊局部內存：線程寄存器：線程242.2通用數(shù)值計算并行計算例：數(shù)組遞增a[i]+125定義一維塊的大小定義網格的數(shù)目線程的索引2.2通用數(shù)值計算并行計算例：數(shù)組遞增a[i]+126數(shù)組大小a[34603008]CPU:156毫秒Intel(R)Core(TM)i5-2400CPU@3.10GHz3.10GHzGPU:49毫秒塊：256（一維）網格：32（一維）NVIDIAQuadro20002.2通用數(shù)值計算并行計算例：矩陣相加

a[i][j]+b[i][j]27定義2維塊和每個塊的二維線程集合每個線程認定操作的矩陣元素對象2.2通用數(shù)值計算并行計算例：矩陣相加

a[i][j]+b[i][j]28矩陣大小5120x5120CPU:203毫秒Intel(R)Core(TM)i5-2400CPU@3.10GHz3.10GHzGPU:70毫秒塊：256x256（二維）網格：20x20（二維）NVIDIAQuadro2000提綱圖形處理器GPU數(shù)值計算GPU快速建模GPU實時繪制293.1基于GPU加速的NURBS建模思想利用GPU提高B樣條基函數(shù)計算效率。正向計算：通過已知的參數(shù)值u和v，求解NURBS曲面上對應點的三維坐標(x,y,z)303.1基于GPU加速的NURBS建模思想采用一維或二維紋理存儲節(jié)點向量、控制頂點、權重因子等通過片元著色器實現(xiàn)GPU編程313.2基于GPU加速的泊松重建思想利用GPU的高效運算能力，設計構建一個特殊的八叉樹，并將其與泊松表面重構算進行結合，實現(xiàn)了高效的表面重建323.2基于GPU加速的泊松重建方法利用GPU，實時構建八叉樹，按層構建，每層節(jié)點同時構建33vertex數(shù)組：v.nodes記錄所有使用頂點v的八叉樹節(jié)點edge數(shù)組：記錄邊的兩個頂點face數(shù)組：記錄面的四條邊node數(shù)組：xyzkey：從根節(jié)點到深度為D的一個節(jié)點的路徑為：x1y1z1x2y2z2···xDyDzDSamplepoints：對每個節(jié)點t，記錄其包含的節(jié)點數(shù)t.pnum，及第一個包含的子節(jié)點的索引t.pidxConnectivityPointers：記錄父親，8個孩子，27個鄰居（包括自己），頂點，邊，面x,y,z0:軸負方向1:軸正方向3.2基于GPU加速的泊松重建方法將泊松表面重建算法與八叉樹結合，在GPU上快速計算Laplacian方程，并提取網格34構建Laplacian方程Lx=b利用multigridsolver計算線性方程組計算等值面利用marchingcube方法提取網格GPU箱函數(shù)3.2基于GPU加速的泊松重建方法將泊松表面重建算法與八叉樹結合，在GPU上快速計算Laplacian方程，并提取網格35構建Laplacian方程Lx=b利用multigridsolver計算線性方程組計算等值面利用marchingcube方法提取網格GPUGPU共軛梯度法頂點并行計算標量值葉節(jié)點并行抽取截面3.2基于GPU加速的泊松重建結果36點云：#216643重建時間：296ms點云：#259560重建時間：206ms提綱圖形處理器GPU數(shù)值計算GPU快速建模GPU實時繪制374.1基于GPU的光線跟蹤繪制思想利用GPU的線程并行處理，構建KD樹數(shù)據(jù)結構，提高光線跟蹤過程中幾何元素遍歷、求交、著色等處理384.1基于GPU的光線跟蹤繪制方法利用GPU構建三維場景的KD樹表示，加速遍歷和求交運算394.1基于GPU的光線跟蹤繪制結果（Demo）40GPUCPU4.2基于GPU的輻射度繪制思想輻射度繪制中，不同面片之間形式因子的計算和相應輻射度數(shù)值的計算占據(jù)約90%的時間借助GPU提高形式因子計算效率414.2基于GPU的輻射度繪制思想采用輻射度紋理和殘差紋理內存來記錄面片上的輻射度數(shù)值借助片元著色器來做形式因子的計算424.2基于GPU的輻射度繪制結果