稀疏磁共振图像重建算法的GPU并行设计与实现

基于压缩感知CS(Compressed Sensing)理论的稀疏磁共振图像MRI(Magnetic Resonance Imaging)重构算法包含大量的浮点运算,重构所花费的时间要远远大于傅里叶正反变换重构算法。针对该问题,利用图形处理器GPU(Graphic Processing Unit)强大的并行处理能力,在NVIDIA CUDA(Compute Unified Device Architecture)的框架上对正交匹配追踪OMP(Orthogonal Matching Pursuit)算法进行并行化的设计与实现。实验结果表明,基于GPU实现的算法具有较高的迭代重构速度,对1 0242大小的磁共振图像的重构仅为1.4秒,是CPU实现的24倍,可以满足实际应用对实时性的要求。     

面向CPU-GPU架构的源到源自动映射方法

针对GPU上应用开发移植困难的问题,提出了一种串行计算源程序到并行计算源程序的映射方法。该方法从串行源程序中获得可并行化循环的层次信息,建立循环体结构与GPU线程的对应关系,生成GPU端核心函数代码;根据变量引用读写属性生成CPU端控制代码。基于该方法实现了一个编译原型系统,完成了C语言源程序到CUDA源程序的自动生成。对原型系统在功能和性能方面的测试结果表明,该系统生成的CUDA源程序与C语言源程序在功能上一致,其性能有显著提高,在一定程度上解决了计算密集型应用向CPU-GPU异构多核系统移植困难的问题。     

GPGPU编程技术初探

伴随着GPGPU计算技术的不断发展,HPC高性能计算系统体系结构正在悄然发生着一场变革,这场变革为高性能计算发展提供了一个新的方向、CUDA是NIVIDIA公司提供的利用GPGPU进行并行运算应用开发的一套C语言编程平台,通过它可以利用特定显卡的高性能运算能力进行一些大规模高性能计算,有效提升计算机系统的使用效率,本文主要介绍GPU发展现状以及如何利用CUDA编程技术进行并行运算软件开发．     

基于CUDA架构的三维CPML-FDTD并行方法

为解决时域有限差分（FDTD）算法应用于电大尺寸目标仿真的巨大耗时问题,应用FDTD算法的并行特性和通用图形处理器（GPGPU）技术,实现了一种基于计算统一设备架构（CUDA）的三维FDTD并行计算方法,采用了时域卷积完全匹配层（CPML）吸收边界条件模拟开域空间,对不同网格数目标仿真计算。进一步结合FDTD算法和CUDA的特点进行了优化,当计算空间元胞数在十万数量级及以上时,优化前后GPU运算相对于同时期的CPU分别可获得10和25倍以上的加速,结果表明该方法较适合用于实际电磁问题的仿真。     

GPU上实现的向量点积的性能分析

CUDA是一种较为简便的利用GPU进行通用计算的技术。研究了GPU上基于CUDA的几种向量点积算法,比较、分析了每种算法的性能。实验表明,GPU上最快的算法比CPU上的算法快了约7倍。     

Legendre序列快速生成的CUDA实现

序列设计在信息安全,无线通信等诸多领域中有着重要应用。在流密码系统中,要求产生的随机序列具有理想的随机复杂度度量如线性复杂度,k阶相关复杂度等。其中Legendre序列具有这些理想的随机性质。实用中序列的生成速度也是很重要的考虑因素。探讨了大素数周期的Legendre序列生成的相关算法,并运用统一计算设备架构平台（CUDA）对其进行优化以加快序列的生成速度。实验结果表明,运用CUDA进行序列的并行生成,序列的生成速度有数量级的提高。     

图形处理器通用计算的实现与验证

讨论了显示卡用于通用科学计算的问题,并以大型矩阵的基本运算问题详细比较了CPU和GPU计算之间的差别。在基本的矩阵运算中,运用适当的矩阵分块,GPU的计算速度比CPU快50倍左右。而且,显示卡低廉的价格为更多科研工作者实现大规模运算提供了可能。     

基于GPU的稀疏线性系统的预条件共轭梯度法

研究了基于GPU的稀疏线性方程组的预条件共轭梯度法加速求解问题,并基于统一计算设备架构(CUDA)平台编制了程序,在NVIDIAGT430 GPU平台上进行了程序性能测试和分析。稀疏矩阵采用压缩稀疏行(CSR)格式压缩存储,针对预条件共轭梯度法的算法特性,研究了基于GPU的稀疏矩阵与向量相乘的性能优化、数据从CPU端传到GPU端的加速传输措施。将编制的稀疏矩阵与向量相乘的kernel函数和CUSPARSE函数库中的cusparseDcsrmv函数性能进行了对比,最优得到了2.1倍的加速效果。对于整个预条件共轭梯度法,通过自编kernel函数来实现的算法较之采用CUBLAS库和CUSPARSE库实现的算法稍具优势,与CPU端的预条件共轭梯度法相比,最优可以得到7.4倍的加速效果。     

基于GPU的稀疏矩阵向量乘优化

针对稀疏矩阵运算难以发挥图形处理器的强大运算能力的现状,基于图形处理器的统一计算架构,在线程映射、数据复用等方面研究了一系列并行计算优化方法,从而完成了一种行压缩存储表示下的稀疏矩阵向量乘并行算法.这些优化方法包括:(1)利用Warp内线程天然同步特性,Half-warp完成结果向量一个元素的计算;(2)取整读取数据,实现合并访问;(3)输入向量放入纹理存储器,数据复用;(4)申请分页锁定内存,加速数据传输;(5)使用共享存储器,加速数据存取.实验分析表明,提出的各种手段起到了优化的作用.与已有的CUDPP和SpMV library中的CSR-vector算法相比,本算法获得了更高的存储器带宽和浮点运算吞吐量;整体性能比CPU串行执行版本快了3倍以上.     

面向众核GPU加速系统的网络编码并行化及优化

网络编码允许网络节点在数据存储转发的基础上参与数据处理,已成为提高网络吞吐量、均衡网络负载和提高网络带宽利用率的有效方法,但是网络编码的计算复杂性严重影响了系统性能。基于众核GPU加速的系统可以充分利用众核GPU强大的计算能力和有效利用GPU的存储层次结构来优化加速网络编码。基于CUDA架构提出了以片段并行的技术来加速网络编码和基于纹理Cache的并行解码方法。利用提出的方法实现了线性随机编码,同时结合体系结构对其进行优化。实验结果显示,基于众核GPU的网络编码并行化技术是行之有效的,系统性能提升显著。     

GPU加速的图像匹配技术

传统的模板图像匹配算法,匹配速度较慢。应用GPU通用高性能编程技术实现了一种加速图像匹配算法的新方法。应用CUDA编程技术对图像匹配算法进行并行化改造。采用了四种不同的存储方案,在第四种存储方案中获得了43.5倍的加速比,并对四种不同的存储方案的性能进行了深入研究。     

基于Tesla平台的快速反投影运算

反投影运算是锥束CT图像重建算法中运算量最大,最耗时的部分,是制约重建速度的瓶颈。为此,在计算统一设备架构模型下,应用体素驱动法实现基于Tesla平台的反投影(BP)并行运算,并对BP运算上的访存和数学指令进行优化。实际CT数据的重建结果表明,该方法的运算速度是CPU串行程序的198倍,效率高且易于实现。     

CUDA架构下的快速图像去噪

图像处理通常需要较大的计算量,其中图像去噪是经常使用的一种预处理算法,研究其快速算法具有重要意义。图形处理器具有强大的并行计算能力,但大部分时间处于闲置状态。统一计算设备架构提供了一种简单易用的开发环境,可利用图形处理器进行通用计算。提出了基于统一计算设备架构的快速图像去噪算法,可以利用GPU的计算能力,加快去噪过程,显著地减少计算时间。     

运动估计搜索算法的CUDA优化与实现

针对H.264压缩编码中计算量大以及最为耗时的运动估计搜索算法的特点,利用图形处理器的并行优化思想,研究基于CUDA计算平台的运动估计搜索算法GEA（全域消除算法）的并行化处理方法,并对其中的并行设计、数据处理、结果反馈等关键技术问题,进行了详细论述。最后通过实验数据对算法运行效率进行对比分析。实验结果表明GPU中的GEA搜索算法运动搜索性能较之CPU中有显著提高。     

基于CUDA的点云去噪算法

提出一种基于统一计算设备架构(CUDA)的双边滤波点云去噪算法,将点云去噪划分为多个并行度较高的步骤,利用GPU的并行计算能力,设计每个步骤的CUDA核函数。采用高斯加权的法矢计算方法,在双边去噪算法中加入面积权重缓解过光顺。实验结果表明,该算法能有效提高法矢计算的准确度,与CPU算法相比,计算速度提高了多个数量级。     

CPU与GPU上几种矩阵乘法的比较与分析

描述了矩阵乘法在CPU上的三种实现方法和在GPU上基于CUDA架构的四种实现方法,分析了高性能方法的原由,发现它们的共同特点都是合理地组织数据并加以利用,这样能有效地减少存取开销,极大地提高算法的速度。其中CPU上的最优实现方法比普通算法快了200多倍,GPU上的最优实现方法又比CPU上的最优实现方法快了约6倍。     

基于GPU的AC模式匹配改进算法

字符串匹配算法的应用非常广泛,在信息检索、信息安全等领域都起着关键的作用。近年来,由于GPU通用计算的高速发展,且GPU具有很强的并行计算能力和很高的存储器访问带宽,利用GPU来加速字符串匹配算法吸引了越来越多的关注。提出的改进的AC模式匹配算法,在对前人工作的基础上,进一步消除了output表的存储,将纹理存储器中的查表操作转换为数值比较操作,与改进前算法相比,速度提高了80%以上;进一步的,引入了多个可变参数,提高AC算法的有效数据匹配率,并优化线程块的大小,优化后的算法与采用一种特殊匹配方式的高效的PFAC算法相比,速度提高了9%以上。     

基于GPU的可见光与红外图像融合快速实现

为利用统一计算设备架构（CUDA）强大的并行处理能力实现快速图像融合,提出一种适用于并行运算的图像融合算法,包括高斯滤波、直方图均衡、基于小波变换的图像融合。通过CUDA编程对以上算法进行实现,并将其与对应的CPU程序相比较,实验结果表明,图形处理单元（GPU）执行效率比CPU高出一个数量级,并且随着数据量的增加,GPU的加速比还会增大。