基于线积分卷积算法的并行实现方法

线积分卷积(LIC)是矢量场可视化中一个强有力的工具.但其计算量过大、耗时过多,影响了它的应用.根据LIC算法的特点,提出了LIC算法的并行实现方法.由于流线跟踪和卷积计算的独立性,只需把输出图像以像素点为单位平均分配给各处理器节点进行计算.从进程之问没有通信,仅当从进程开始计算前和计算结束后,在主进程与从进程之间有数据传递,通信开销很小.最后应用MPI在Linux集群环境下实现了该算法,实验结果表明,该方法具有较高的并行度和加速比.     

二维LIC矢量场可视化算法的研究及改进

线积分卷积(LIC)是一种针对矢量场的可视化方法.针对二维空间上的LIC算法进行了研究并提出了改进.首先,针对某些二维矢量场在用户关注区域矢量大小比较接近的问题,采用非线性的颜色映射法进行处理,最终的可视化结果可以突出用户感兴趣区域的矢量场特征.其次,从原始LIC算法的串行计算任务中提取出4个可以并行计算的子模块,并依托NVIDIA的CUDA架构实现了颜色增强LIC法的硬件加速.结果表明,加速后算法的加速比随着输入矢量场分辨率的增加而增加.因此,该算法适用于高分辨率二维矢量场的交互式可视化,且没有特别高的硬件要求,通用性较好.总之,新的算法较原始算法在视觉效果和性能上都有所改进.     

Fresnel层析成像并行算法研究

与射线层析成像相比,Fresnel层析成像考虑波频率的影响,具有较高的分辨率,但所需的存储空间和计算量更大,因此提出了Fresnel层析成像的并行算法.把大型层析反演方程组的求解,转化成对其中的各个方程进行相互独立的计算,避免了大型系数矩阵的存储问题;把一个Fresnel带的正演和反演计算放在一个进程,不同Fresnel带的计算相互独立进行,不需要信息传递,达到了极高的并行度;从进程之间没有通信,仅当从进程计算结束后,在主进程与各从进程之间有少量的数据传递,使通信开销达到了极小的程度.应用MPI在LinuxPC集群环境下实现了该算法,实际测试表明,该算法具有较高的并行度和加速比.     

MCC-SIMD数据并行卷积计算方法的研究

主要研究卷积计算的数据并行方法在MCC-SIMD计算机的设计和实现问题。在参考国内外现有资料的基础上，从图论的角度用卷积路径的方法对卷积计算的有关概念进行了严格的形式化定义；分析了4-连接卷积路径下数据并行卷积计算时处理元阵列的移动规律；在此基础上给出了数据并行卷积计算算法；最后对算法的计算复杂性和通信复杂性进行了简要分析。文中还对有关结论进行了证明。     

飞行器表面矢量场数据动态纹理可视化方法

面向飞行器表面流场数据可视化的应用需求,提出一种基于线性卷积（LIC）及纹理平流（IBFVS）相结合的动态纹理可视化方法。算法通过将IBFVS方法的背景随机噪声替换为LIC纹理方式,结合了LIC纹理结果对比度高及IBFVS方法生成速度快的优势;针对LIC绘制速度慢的不足,利用GPU对曲面矢量场投影并插值,生成规则矢量数据场;用GPU对LIC部分进行并行加速,有效提高了LIC纹理图像产生速度;将LIC结果图像加入到IBFVS进行平流,生成纹理图像,最后加入颜色映射,丰富流场信息。实验结果表明,该方法生成的飞行器表面动态纹理图像对比度高,清晰度强,实时绘制性能好。     

一种面向神威·太湖之光的通用并行卷积算法

神威·太湖之光深度学习库中的并行卷积算法存在批量受限的问题,且传统gemm卷积算法在其硬件架构上效率较低。基于申威异构众核处理器,提出一种无批量限制的通用并行卷积算法。结合异步DMA访存操作和从核间的寄存器通信,使用数据重用和软件流水等方法降低从核访存开销,利用手动向量化的方法充分发挥从核浮点的计算能力。实验结果表明,与基础7层循环算法、gemm算法和Intel平台上的MKL-DNN算法相比,该算法的加速性能较好。     

基于非线性渐变式颜色映射的LIC改进算法

线积分卷积（LIC）算法展现的纹理反映了整个矢量场的方向结构,但却不能展现矢量场的强度大小。针对此问题提出基于非线性渐变式颜色映射的LIC改进算法,将矢量场强度与白噪声结合作为LIC的输入纹理,运用FastLIC思想并划分纹理区域同步执行LIC运算来提高算法效率;再将矢量场强度作非线性变换,根据渐变式颜色映射方案使用OpenCV处理引擎并行实现矢量场强度的颜色映射; 最后由LIC得到的灰度纹理和颜色映射结果确定合成系数并构造累计函数增强两者结果,再进行线性合成运算得到最终的可视化效果。在对全球海洋流场和风场两种典型的矢量场进行可视化以及与其他算法对比实验表明,改进算法得到的可视化效果纹理清晰,较好地展示出矢量场的方向和强度,能够更准确地反映矢量场的全方位信息和局部变化情况。     

LIC纹理中可视矢量大小的方法

线积分卷积 (LinearIntegralConvolution ,LIC)纹理很好地可视了 2D矢量场的方向信息 ,本文提出了两种在LIC纹理中同时可视矢量大小的方法 :多粒度LIC和图像混合。多粒度LIC利用纹理粒度可视矢量大小 ,采用变宽度的邻域平均 ,快速、方便地合成多粒度噪声 ,然后 ,利用滤波器长可变的FLIC快速计算。图像混合技术将LIC纹理和矢量大小的映射图像混合 ,同时可视大小和方向 ,讨论了多种矢量大小的映射方法和硬件支持的图像混合技术。对于实际的矢量场 ,上述两种方法取得了很好的可视效果。     

面向算法的SIMD计算机数学模型及其应用研究

针对数据并行计算在图像处理中的应用研究,提出了数据并行计算机的面向算法的数学模型,以及利用该模型得到的一种新颖的、数据并行算法的数学描述方法．采用该数学描述方法对数据并行图像处理中的灰度直方图运算、区域增长法图像分割以及图像卷积运算等3类图像处理方法进行了描述．结果表明,该数学描述方法不仅简单可行和精确,而且,可以从数学公式中直接得到算法的通信复杂性和计算复杂性．该方法可以应用到数据并行计算的应用研究中作为数学描述的工具．     

基于卷积计算的多层脉冲神经网络的监督学习

针对脉冲神经元基于精确定时的多脉冲编码信息的特点,提出了一种基于卷积计算的多层脉冲神经网络监督学习的新算法。该算法应用核函数的卷积计算将离散的脉冲序列转换为连续函数,在多层前馈脉冲神经网络结构中,使用梯度下降的方法得到基于核函数卷积表示的学习规则,并用来调整神经元连接的突触权值。在实验部分,首先验证了该算法学习脉冲序列的效果,然后应用该算法对Iris数据集进行分类。结果显示,该算法能够实现脉冲序列复杂时空模式的学习,对非线性模式分类问题具有较高的分类正确率。     

Parallel line integral convolution

Line integral convolution (LIC) is a powerful method for computing directional textures from vector data. LIC textures can be animated, yielding the effect of flowing motion. Both, static images and animation sequences are of great significance in scientific visualization. Although an efficient algorithm for computing static LIC textures is known, the generation of animation sequences still requires a considerable amount of computing time. In this paper we propose an algorithm for computing animation sequences on a massively parallel distributed memory computer. With this technique it becomes possible to utilise animated LIC for interactive vector field visualization. To take advantage of the strong temporal coherence between different frames, parallelization is performed in image space rather than in time. Image space coherence is exploited using a flexible update and communication scheme. In addition algorithmic improvements on LIC are proposed that can be applied to parallel and sequential algorithms as well.     

A new line integral convolution algorithm for visualizingtime-varying flow fields

New challenges on vector field visualization emerge as time dependent numerical simulations become ubiquitous in the field of computational fluid dynamics (CFD). To visualize data generated from these simulations, traditional techniques, such as displaying particle traces, can only reveal flow phenomena in preselected local regions and thus, are unable to track the evolution of global flow features over time. The paper presents an algorithm, called UFLIC (Unsteady Flow LIC), to visualize vector data in unsteady flow fields. Our algorithm extends a texture synthesis technique, called Line Integral Convolution (LIC), by devising a new convolution algorithm that uses a time-accurate value scattering scheme to model the texture advection. In addition, our algorithm maintains the coherence of the flow animation by successively updating the convolution results over time. Furthermore, we propose a parallel UFLIC algorithm that can achieve high load balancing for multiprocessor computers with shared memory architecture. We demonstrate the effectiveness of our new algorithm by presenting image snapshots from several CFD case studies     

二维和三维矢量场的可视化

矢量场可视化用来帮助人们直观理解二维和三维矢量场。由于目前的矢量场可视化方法只能展示二维矢量场的方向而不能展示强度,并且对于三维矢量场可视化的效果不太令人满意,因此本文提出了用线积分卷积来实现二维平面矢量场可视化,以及三维空间矢量场可视化的方法。对于线积分卷积中的流线跟踪,利用扩展的Bresenham画线算法的思想,实现了二维平面和三维空间流线的跟踪,并且通过建立一个二维表和三维表来分别存储二维平面矢量场和三维空间矢量场中每个点在流线中的上一个点和下一点的位置,来避免传统流线跟踪方法的冗余计算,提高了效率。对于二维平面矢量场,把线积分卷积的结果和矢量的强度进行加权平均,从而利用输出图像的纹理和颜色,共同来表现矢量场的方向和强度。对于三维空间矢量场,利用体线积分卷积（Volume Line Integral Convolution, Volume LIC）的方法来得到输出体纹理,并且用光线投射的体渲染方法来展示三维空间矢量场。结果显示出本文的方法能够清晰直观的看到二维平面矢量场和三维空间矢量场。     

Animation of orthogonal texture patterns for vector field visualization

This paper introduces orthogonal vector field visualization on 2D manifolds: a representation by lines that are perpendicular to the input vector field. Line patterns are generated by line integral convolution (LIC). This visualization is combined with animation based on motion along the vector field. This decoupling of the line direction from the direction of animation allows us to choose the spatial frequencies along the direction of motion independently from the length scales along the LIC line patterns. Vision research indicates that local motion detectors are tuned to certain spatial frequencies of textures, and the above decoupling enables us to generate spatial frequencies optimized for motion perception. Furthermore, we introduce a combined visualization that employs orthogonal LIC patterns together with conventional, tangential streamline LIC patterns in order to benefit from the advantages of these two visualization approaches. In addition, a filtering process is described to achieve a consistent and temporally coherent animation of orthogonal vector field visualization. Different filter kernels and filter methods are compared and discussed in terms of visualization quality and speed. We present respective visualization algorithms for 2D planar vector fields and tangential vector fields on curved surfaces, and demonstrate that those algorithms lend themselves to efficient and interactive GPU implementations.     

基于纹理的增强型3D流场绘制

提出一种基于纹理的增强型3D矢量场可视化算法,可显著地改善传统纹理法的绘制质量.首先通过对3D纹理的线性卷积运算生成具有空间相关性的卷积纹理;然后对卷积纹理进行高通滤波,以增加流面内流线之间强度的对比;最后通过体绘制方式展示3D卷积纹理.借助权重区域,该算法可以显示用户感兴趣区域或特征区域,避免卷积数据过多引起的紊乱及相互遮挡.     

Fermi架构下超声成像组织运动可视化并行算法

在临床超声实时成像系统中组织运动情况是医生想要获取的重要诊断信息, 例如心脏运动. 基于线积分卷积的二维矢量场可视化技术可以同时展现运动矢量场的强度和方向. 但这一算法在处理时涉及大量的复杂计算, 尤其是流线追踪处理部分, 使其成为临床实时成像系统中的一大性能提升瓶颈. 为此研究并提出了一种基于新兴的高性能并行计算平台Fermi架构GPU(graphics processing unit图形处理单元)的并行运动可视化算法. 数据测试结果显示, 与基于CPU的实现相比, 采用Fermi架构的GPU处理不仅可     

Visualization of vector fields using seed LIC and volume rendering

Line integral convolution (LIC) is a powerful texture-based technique for visualizing vector fields. Due to the high computational expense of generating 3D textures and the difficulties of effectively displaying the result, LIC has most commonly been used to depict vector fields in 2D or over a surface in 3D. We propose new methods for more effective volume visualization of three-dimensional vector fields using LIC: 1) we present a fast method for computing volume LIC textures that exploits the sparsity of the input texture. 2) We propose the use of a shading technique, called limb darkening, to reveal the depth relations among the field lines. The shading effect is obtained simply by using appropriate transfer functions and, therefore, avoids using expensive shading techniques. 3) We demonstrate how two-field visualization techniques can be used to enhance the visual information describing a vector field. The volume LIC textures are rendered using texture-based rendering techniques, which allows interactive exploration of a vector field.     

一种流体艺术风格的自适应LIC绘制方法

把LIC算法应用到非真实感绘制中,提出一种自适应流体艺术图的LIC绘制方法.对源图像亮度分量计算切矢量场,然后对其进行增强、平滑处理获得结构矢量场;通过随机扰动源图像获得纹理参考图像;根据结构矢量场和纹理参考图像的局部特征产生可变的LIC积分步长和步数,自适应地处理纹理参考图像;最后对绘制效果进行颜色渲染,生成具有丰富颜色特征的流体艺术图.实验表明,该方法能够较好地模拟诸如梵高画的流体艺术风格,呈现生动、灵活的波动感.