基于CUDA的热传导GPU并行算法研究

在热传导算法中,使用传统的CPU串行算法或MPI并行算法处理大批量粒子时,存在执行效率低、处理时间长的问题。而图形处理单元(GPU)具有大数据量并行运算的优势,为此,在统一计算设备架构(CUDA)并行编程环境下,采用CPU和GPU协同合作的模式,提出并实现一个基于CUDA的热传导GPU并行算法。根据GPU硬件配置设定Block和Grid的大小,将粒子划分为若干个block,粒子输入到GPU显卡中并行计算,每一个线程执行一个粒子计算,并将结果传回CPU主存,由CPU计算出每个粒子的平均热流。实验结果表明,与CPU串行算法在时间效率方面进行对比,该算法在粒子数到达16 000时,加速比提高近900倍,并且加速比随着粒子数的增加而加速提高。     

基于图形处理器的边缘检测算法

边缘检测是一种高度并行的算法,计算量较大,传统的CPU处理难以满足实时要求。针对图像边缘检测问题的计算密集性,在分析常用边缘检测算法的基础上,利用CUDA(Compute Unified Device Architecture,计算统一设备架构)软硬件体系架构,提出了图像边缘检测的GPU(Graphics Processing Unit,图形处理器)实现方案。首先介绍GPU高强度并行运算的体系结构基础,并将Roberts和Sobel这两个具有代表性的图像边缘检测算法移植到GPU,然后利用当前同等价格的CPU和GPU进行对比实验,利用多幅不同分辨率图像作为测试数据,对比CPU和GPU方案的计算效率。实验结果表明,与相同算法的CPU实现相比,其GPU实现获得了相同的处理效果,并将计算效率最高提升到了17倍以上,以此证明GPU在数字图像处理的实际应用中大有潜力。     

基于GPU的并行优化技术*

针对标准并行算法难以在图形处理器(GPU)上高效运行的问题,以累加和算法为例,基于Nvidia公司统一计算设备架构(CUDA)GPU介绍了指令优化、共享缓存冲突避免、解循环优化和线程过载优化四种优化方法。实验结果表明,并行优化能有效提高算法在GPU上的执行效率,优化后累加和算法的运算速度相比标准并行算法提高了约34倍,相比CPU串行实现提高了约70倍。     

基于CUDA的并行AES算法的实现和加速效率探索

网络应用服务(尤其是电子银行和电子商务)需要数据加密提供安全通信.很多应用服务器面临着执行大量计算稠密的加密挑战.CUDA(统一计算架构)是在GPU进行并行和通用计算的平台,能够利用现有显卡资源,以低成本的方式提升加密性能.在Nvidia GeForce G210显卡上实现CUDA的AES(高级加密标准)并行算法并且在AMD Athlon 7850上实现串行AES算法.实现的AES并行算法避免了同一线程块的线程同步和通信,提升了GPU的加速性能,加速比要比Manavski的AES-128并行算法提升2.66～3.34倍.在大数据量(至32MB)加密环境下探索AES并行算法的性能模型,并首次从加速效率角度分析加速性能.该并行AES算法在16核的GPU上能最高达到15.83倍的加速比和99.898％的加速效率.     

基于CUDA的Prewitt算子并行实现

Prewitt算子是数字图像分割中最常用的边缘检测算法,由于计算量大,传统的基于CPU的串行算法耗时较长.为了提高算法的计算效率,本文把Prewitt算子在CUDA架构下并行实现,并通过对不同分辨率图像的处理实验,与串行算法的处理时间进行比对,列出加速比.实验结果表明并行算法的加速效果显著,对提高图像处理系统的运行效率具有实际意义.     

利用GPU计算的双线性插值并行算法

双线性插值算法在数字图像处理中有广泛的应用,但计算速度慢.为提高其计算速度,提出一种基于图形处理器加速的双线性插值并行算法.主要利用Wallis变换双线性插值中各分块之间的独立性适合GPU并行处理架构的特点,把传统串行双线性插值算法映射到CUDA并行编程模型,并从线程分配,内存使用,硬件资源划分等方面进行优化,来充分利用GPU的巨大运算能力.实验结果表明,随着图像分辨率的增大,双线性内插并行算法可以把计算速度提高28倍.     

基于CUDA的多尺度Retinex图像增强算法实现

多尺度Retinex图像增强是一种基于色彩恒定理论的图像增强算法,算法增强效果好,但随着图像分辨率的提高计算时间显著增加。分析并利用计算统一设备架构(CUDA)图形处理器(GPU)的并行处理特性,提出了一种基于CUDA的多尺度Retinex图像增强并行算法,将多尺度高斯滤波、对数空间差分和动态范围压缩等计算非常耗时的模块采用并行方式放在GPU中进行计算。实验结果表明所提算法能显著提高计算速度,随着图像分辨率的增加,最大加速比超过100倍。     

AVS标准中整数DCT变换的CUDA并行算法

随着图形处理器(GPU)的处理能力的不断增强,图形处理器越来越多的运用在计算密集型的数据处理中.AVS标准视频压缩算法中一些步骤存在典型的并行特性,高清、超清视频压缩的串行算法执行时间开销较大,难以满足实时编码的需要,因此利用GPU的并行处理能力和CUDA的编程框架对AVS标准中的整数DCT变换算法进行了并行实现.经过实验测试,并行算法与串行算法相比具有较高的加速比.     

基于CUDA加速的图像配准算法

针对传统图像拼接算法速度较慢,难以满足获取大分辨率全景图像的实时性要求,本文提出一种基于CUDA的快速鲁棒特征(speeded-up-robust features, SURF)图像配准算法,从GPU线程执行模型、编程模型和内存模型等方面,对传统SURF算法特征点的检测和描述进行CUDA并行优化;基于FLANN和RANSAC算法,采用双向匹配策略进行特征匹配,提高配准精度.结果表明,相对串行算法,本文并行算法对不同分辨率的图像均可实现10倍以上的加速比,而且配准精度较传统配准算法提高17%,精度最优可高达96%.基于CUDA加速的SURF算法可广泛应用于安防监控领域,实现全景图像的实时配准.     

一种基于OpenCL的高能效并行KNN算法及其GPU验证

近年来数据分类技术已经被广泛应用于各类问题中,作为最重要的分类算法之一,K最近邻法(KNN)也被广泛使用。在过去的近50年,人们就如何提高KNN的并行性能做出巨大努力。基于CUDA的KNN并行实现算法——CUKNN算法证明KNN在GPU上的并行实现比在CPU上串行实现的速度提升数十倍,然而,CUDA在实现过程中包含了大量的冗余计算。提出了一种并行冒泡的新型KNN并行算法,并通过OpenCL,在以GPU作为计算核心的异构系统上进行验证,结果显示提出的方法比CUDA快16倍。     

基于GPU图像去噪总变分对偶模型的并行计算

研究基于总变分(TV)的图像去噪问题,针对中央处理器(CPU)计算速度较慢的问题,提出了在图像处理器(GPU)上并行计算的方法。考虑总变分最小问题的对偶模型,建立原始变量与对偶变量的关系,采用梯度投影算法求解对偶变量。数值实验分别在GPU与CPU上进行。实验结果表明,总变分去噪模型对偶算法在GPU设备上执行的效率高于在CPU上执行的效率,并且随着图像尺寸的增大,GPU并行计算的优势更加突出。     

GPU加速的二值图连通域标记并行算法

结合NVIDIA公司统一计算设备架构(CUDA)下的图形处理器(GPU)并行结构和硬件特点,提出了一种新的二值图像连通域标记并行算法,高速有效地标识出了二值图的连通域位置及大小,大幅缩减了标记时间耗费。该算法通过搜索邻域内最小标号值的像素点对连通域进行标记,各像素点处理顺序不分先后并且不相互依赖,因此可以并行执行。算法效率不受连通域形状及数量的影响,具有很好的鲁棒性。实验结果表明,该并行算法充分发挥了GPU并行处理能力,在处理高分辨率与多连通域图像时效率为一般CPU标记算法的300倍,比OpenCV的优化函数(CPU)效率高近17倍。     

PMVS算法的CPU多线程和GPU两级粒度并行策略

PMVS(Patch-based Multi-View Stereo)三维重建算法被广泛应用于无人机航拍影像的三维场景重建中。针对PMVS三维重建算法计算量大、时间复杂度高的问题,提出了PMVS算法的CPU多线程和GPU两级粒度并行策略(Multithread and GPU Parallel Schema,MGPS),方法具体包括:基于GPU的PMVS算法特征提取和片面扩散的并行设计;多影像的GPU和CPU任务分配机制,以使得部分任务分配给CPU采用多线程并行,部分任务分配给GPU并行时,程序总运行时间最短。实验采用搭载24核CPU和NVIDIA Tesla K20 GPU的高性能服务器作为测试平台,针对分辨率为4081×2993的16幅无人机影像进行三维重建。实验结果表明,相比串行的PMVS算法,基于MGPS的PMVS算法取得4倍左右的加速比,其中特征提取最高加速13倍,计算误差在10%以内,该方法实现了更高效的PMVS三维重建。基于MGPS的PMVS算法还可用于文物保护、医学图像处理、虚拟现实等领域。     

基于CUDA的彩色超声血流成像

彩色超声血流成像在医学超声诊断中得到了广泛的运用。对前期所提出的超声血流成像图形处理器(GPU)的处理框架做出了两点改进：在壁滤波器模块并行实现Regression滤波器,替换原来的并行有限冲激响应(FIR)滤波器;在后处理模块中,加入了并行实现的Threshold box滤波器,改善了血流的均匀性。实验结果表明：GPU并行实现的运算效率是中央处理器(CPU)串行实现的16.2倍,帧率可以达到70帧/秒。与传统的FIR滤波器相比,Regression滤波器能够得到更高质量的超声血流图像,并且Threshold box滤波器提高了组织/血流鉴定的精确度。     

基于CUDA技术的卷积神经网络识别算法

针对具有高浮点运算能力的流处理器设备GPU对神经网络的适用性问题,提出卷积神经网络的并行化识别算法,采用计算统一设备架构(CUDA)技术,并定义其上的并行化数据结构,描述计算任务到CUDA的映射机制。实验结果证明,在GTX200硬件架构的GPU上实现的并行识别算法的平均浮点运算能力峰值较CPU上串行算法提高了近60倍,更适用于神经网络的相关应用。     

Fermi架构下的时域高斯滤波并行算法

为提高图形图像处理中高斯滤波算法模块的计算速度,将高斯滤波与Fermi平台相结合,设计了一种高斯滤波时域的并行算法。数据测试结果显示,与基于CPU的实现相比,采用Fermi架构的GPU处理不仅可以得到误差精度小于0.0001的计算结果,而且可以取得较大的加速效果。在数据规模为512×112×128和滤波窗口大小为11的情况下能够达到约210倍的加速效果。     

面向PMVS算法的自动两级并行翻译方法

当使用高分辨率的图像作为图像处理算法的输入时会降低算法运行速度,将算法并行化可提升执行效率,但手动将串行程序转换为并行程序则较为繁琐,并且现有自动并行翻译工具性能不稳定,同时翻译后的程序是单一并行模式。面向基于面片的三维多视角立体视觉(PMVS)算法,提出一种从C到CUDA的自动两级并行翻译方法。使用ANTLR自动解析源C代码,通过分析数据依赖关系和循环数组私有化来识别可并行化的循环结构,将算法翻译成CPU多线程和GPU两级并行结构的代码。在算法执行过程中,将输入图像在CPU和GPU上分别进行处理,降低了算法总执行时间。实验结果表明,该方法的计算加速比随着输入图像分辨率的增加逐渐提高,最高约达到32,相比于PPCG和OpenACC自动并行翻译方法提升明显。     

Enhanced GPU-Based Anti-Noise Hybrid Edge Detection Method

Today, there is a growing demand for computer vision and image processing in different areas and applications such as military surveillance, and biological and medical imaging. Edge detection is a vital image processing technique used as a pre-processing step in many computer vision algorithms. However, the presence of noise makes the edge detection task more challenging; therefore, an image restoration technique is needed to tackle this obstacle by presenting an adaptive solution. As the complexity of processing is rising due to recent high-definition technologies, the expanse of data attained by the image is increasing dramatically. Thus, increased processing power is needed to speed up the completion of certain tasks. In this paper,we present a parallel implementation of hybrid algorithm-comprised edge detection and image restoration along with other processes using Computed Unified Device Architecture (CUDA) platform, exploiting a Single Instruction Multiple Thread (SIMT) execution model on a Graphical Processing Unit (GPU). The performance of the proposed method is tested and evaluated using well-known images from various applications. We evaluated the computation time in both parallel implementation on the GPU, and sequential execution in the Central Processing Unit (CPU) natively and using Hyper-Threading (HT) implementations. The gained speedup for the naïve approach of the proposed edge detection using GPU under global memory direct access is up to 37 times faster, while the speedup of the native CPU implementation when using shared memory approach is up to 25 times and 1.5 times over HT implementation.