Введение к работе
Актуальность проблемы
Машинная графика относится к области очень емких по вычислительным затратам задач. Обычно при синтезе изображений необходимо выполнить большой объем операций над большими структурами данных с высокой скоростью. Основное время отводится на арифметические операции, поэтому даже самые изощренные алгоритмические и программные приемы не позволяют добиваться приемлемых результатов при использовании однопроцессорных машин. Более плодотворным оказался подход, основанный на распараллеливании вычислений.
Поиск решения проблемы повышения производительности средств вычислительной техники ведется в основном в двух направлениях: разработка суперЭВМ с внутренним параллелизмом и систем с массовым (внешним) параллелизмом. Системы с массовым параллелизмом позволяют сочетать высокую производительность и универсальность отдельных процессоров и возможность построения параллельной структуры, причем регулярная структура и упорядоченность связей обеспечивают простоту программирования и эксплуатации. К ним относятся система Paradox фирмы Intel, системы на базе транспьютеров западноевропейских фирм Inmos, Transtech. Parsytec, Meiko.
Транспьютеры имеют ряд преимуществ перед другими процессорами при построении параллельных архитектур: наличие программно настраиваемых линий связи; минимальное количество дополнительных микросхем при соединении транспьютеров; небольшое энергопотребление транспьютерной микросхемы. Недостатком систем на базе транспьютеров является ограничение роста производительности из-за ограниченной пропускной способности последовательных соединений. Однако, в направлении увеличения скорости обмена по линиям связи ведутся разработки. Предполагается, что при значении пропускной способности линий связи 500 Мбит/с. для изображения средней сложности размером 1024 на 1280 точек возможно получить скорость 24 кадра в секунду.
Таким образом. исследованиеі;возможностей реализации системы синтеза реалистических изображений трехмерных объектов на базе однородной слабосвязанной системы представляет определенный практический интерес.
Анонсируемое в литературе быстродействие вычислительных систем характеризует не столько их возможности при решении,задач, сколько затраты на создание системы. Одна и та же вычислительная система не может обеспечить одинаковую производительность при решении задач разных классов. Отсюда возникает проблема, состоящая в том, что необходимо определить соответствие между свойствами конкретной задачи и структурой вычислительной системы для того, чтобы возможности системы использовались достаточно эффективно. Таким образом на первый план выходят проблемы эффективной организации параллельных вычислений, которая позволила бы с максимальной выгодой использовать возможности аппаратуры и получить желаемую скорость решения задачи.
На основе вышесказанного, разработка разработка параллельного алгоритма синтеза .реалистических изображений, исследование возможностей его реализации и поиск оптимального отображения алгоритма на физическую структуру базовой системы является актуальной задачей.
Цель диссертационной работы состоит в
исследовании возможностей повышения быстродействия системы синтеза реалистических изображений при использовании системы массового параллелизма, в частности транспьютерной сети, в качестве аппаратной базы.
Для достижения поставленной цели необходимо:
разработать параллельный алгоритм синтеза изображений с ориентацией на систему массового параллелизма (транспьютерную сеть) и подход к решению этой задачи;
разработать структуру параллельной вычислительной системы синтеза изображений и способ определения оптимальной структуры для заданного класса задач и для заданных характеристик базовой системы.
Разработкг параллельного алгоритма включает решение следующих задач:
анализ существующих методов построения реалистических изображений;
анализ путей распараллеливания алгоритма синтеза реалистических изображений;
исследование характеристик параллельного алгоритма при реализации на транспьютерной сети;
разработка принципов построения параллельного алгоритма синтеза реалистических изоораяенші с ориентацией на универсальную транспьютерную систему.
Разработка структуры системы включает решение следующих задач:
разработка возможных вариантов отосршх-нпя параллельного алгоритма синтеза реалистических изображений на транспьютерную сеть;
разработка аналитической модели параллельной системы синтеза реалистических изображений для предварительного анализа вариантов параллельных структур системы;
выбор, исследование.і! модификация средств моделирования,
разработка универсальной модели вычислительного узла параллельной системы синтеза изображений для оценки параметров производительности системы при различных вариантах организации вычислении и выбора оптимального соотношения параметров системы;
разработка оптимальной структуры параллельной вычислительной системы.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
предложен вариант решения задачи - синтеза реалистических изображений на универсальной параллельной слабо-связанной системе с однородной структурой, отличительной особенностью которого является двусторонний подход к распараллеливаний вычислений: с одной стороны - выделение параллельных' процессов в исходном алгоритме синтеза изображений, с другой - поиск оптимальной структуры параллельной системы с использованием моделирования различных типов структур;
предложена аналитическая модель параллельной вычислительной системы синтеза реалистических изображений;
предложен инструмент оценки вариантов реализации параллельной вычислительной системи .- универсальная имитационная модель вычислительного узла параллельной структуры - и способ построения имитационных моделей для исследования временных характеристик схем параллельных вьгнелешг, отличительной особе,-;-
ностью которого является использование диаграмм состояний для описания поведения узла при выполнении параллельного алгоритма..
Практическими результатами работы являются:
разработан параллельный алгоритм синтеза реалистических изображений;
получены аналитические оценки производительности алгоритма синтеза реалистических изображений;'
реализована универсальная имитационная модель узла параллельной системы в системе моделирования вычислительных устройств;
проведено имитационное моделирование различных вариантов организации параллельных вычислений и получены результаты, подтверждающие и дополняющие аналитические оценки;
разработана оптимальная структура параллельной вычислительной системы синтеза реалистических -изображений на основе оценок, полученных в результате моделирования;
модифицированы средства системы моделирования вычислительных устройств в отношении отображения информации о состоянии модели и управления системой моделирования.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры ВТ СП6ГЭТУ,. научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ в 1993г., на 1-ой международной конференции по применению вычислительных систем, Польша. 1994г.
Публикации
По материалам диссертационной работы опубликованы 2 печатные работы.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоят из введения, четырех разде-
лов с выводами, заключения, списка литературы, включающего 48 наименований, четырех приложений. Основная часть работы изложена на 164 страницах. Работа содержит 40 рисунков и 5 таблиц.