專利名稱：協(xié)同GPU求解PDEs的影像輸出方法、裝置及紀(jì)錄媒體、軟件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種協(xié)同GPU作為求解偏微分方程式(Partial DifferentialEquations, PDEs)的高效能運(yùn)算與三維互動影像輸出的方法、裝置及紀(jì)錄媒體、軟件,特別是指完全由GPU進(jìn)行TOEs的運(yùn)算，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果完全由GPU繪制具有物理量變化的三維互動影像及輸出。
背景技術(shù)：
由于科技發(fā)展的日新月異，高效能運(yùn)算已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在與民生息息相關(guān)的研究，如醫(yī)療診斷、3D互動式教學(xué)、全球氣候變遷、臺風(fēng)、海嘯、地震等天然災(zāi)害能量傳遞及破壞效果的預(yù)測。因此，大尺度計算模擬的重要性逐漸受到重視。憑借著低成本及低耗電量的優(yōu)勢，GPU衍然成為可以取代CPU作為高效能算的另類選擇。又針對模擬邊界條件的建立而言,擴(kuò)增實(shí)境(Augmented Reality, AR)影像是一種新穎且快速的影像輸入方法，可以建立許多用于模擬的模型，例如建筑物，人體器官或大自然環(huán)境等等。然而目前使用GPU作為求解偏微分方程式的高效能運(yùn)算的方法，傳統(tǒng)上只有將一部分工作由GPU裝置執(zhí)行，如圖5所示，圖示中CPU與GPU的協(xié)同運(yùn)算過程中:虛線方塊代表CPU要求GPU執(zhí)行的指令、實(shí)線方塊代表計算工作量執(zhí)行的位置、單實(shí)線箭頭代表CPU與GPU之間進(jìn)行資料傳輸，雙實(shí)線箭頭則代表由CPU管理掌握整個運(yùn)算模擬的進(jìn)行，由圖中看出CPU與GPU在運(yùn)算過程中都會涉及資料傳輸，在大量資料傳輸過程中往往造成影像延遲輸出，并且GPU在整個運(yùn)算過程中，仍有一大半時間處于未作業(yè)狀態(tài)，無法充分發(fā)揮GPU的效能。另外，若只運(yùn)用CPU驅(qū)動擴(kuò)增實(shí)境技術(shù)，呈現(xiàn)高效能運(yùn)算得到的模擬結(jié)果，也遭遇到無法即時(REAL TIME)輸出三維動態(tài)影像的問題。再請參閱圖6所示,針對圖5中GPU運(yùn)算有限體積法的分離通量(F=f (Q))步驟，對于單核GPU而言，必須耗費(fèi)成本尋找相鄰的計算單元，當(dāng)所需計算資料龐大時，有時也是造成影像延遲輸出的因素之一。

發(fā)明內(nèi)容
為了完整發(fā)揮GPU高效能運(yùn)算的優(yōu)勢，同時克服影像輸出延遲的問題，本發(fā)明預(yù)計將TOEs的模擬運(yùn)算完全由GPU執(zhí)行，并且將模擬的運(yùn)算結(jié)果完全由GPU執(zhí)行繪圖及輸出，以達(dá)到即時(REAL TIME)輸出的效果，解決影像延遲的缺失。本發(fā)明再提出一種利用擴(kuò)增實(shí)境(Augmented Reality, AR)作為三維影像輸入的技術(shù)，由CPU執(zhí)行擴(kuò)增實(shí)境三維影像的建立，以及根據(jù)三維影像設(shè)定座標(biāo)與邊界條件，結(jié)合GPU的高效能運(yùn)算，能夠整合擴(kuò)增實(shí)境三維影像即時輸出具有物理量變化的三維互動影像。為達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案為:
協(xié)同GPU求解TOEs的影像輸出方法，包括以下步驟:A.由CPU執(zhí)行一三維影像的座標(biāo)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)座標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果設(shè)定模擬所需的邊界條件，以及將邊界條件輸入至GPU ；B.GPU根據(jù)步驟A提供的邊界條件執(zhí)行一偏微分方程式的數(shù)值模擬；C.GPU依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果計算繪圖元素，而繪制具有物理量變化的視覺影像迭合在前述三維影像上，形成三維互動影像由一顯示單元輸出。進(jìn)一步，在步驟B及步驟C中，CPU及GPU之間的資料傳輸僅涉及CPU傳輸工作指令至GPU，以及GPU完成工作后，傳輸回饋指令至CPU。進(jìn)一步，其中步驟B的數(shù)值模擬系使用有限體積法，包含計算有限體積法的分離通量及計算有限體積法的狀態(tài)。進(jìn)一步，在步驟C中，GPU結(jié)合CUDA語法加速計算速度。進(jìn)一步，其中步驟A的三維影像系由一攝影單元拍攝一標(biāo)記的拍攝影像所產(chǎn)生的擴(kuò)增實(shí)境影像。進(jìn)一步，其中該標(biāo)記為實(shí)體物或投影影像。進(jìn)一步，在執(zhí)行步驟A之前，先由CPU執(zhí)行電腦系統(tǒng)程序初始化設(shè)定工作，包括有下列步驟:A1.在前述顯示單元顯示繪圖應(yīng)用程序被初始化；A2.CPU指定電腦主機(jī)所需的記憶體空間；A3.將所需模擬的偏微分方程式復(fù)制到GPU的記憶體空間；A4.使用擴(kuò)增實(shí)境工具啟動該攝影單元。進(jìn)一步，在步驟C之后，包含有步驟D:由CPU執(zhí)行電腦系統(tǒng)程序結(jié)束工作，包括下列步驟:D1.釋放GPU的記憶體空間；D2.釋放電腦主機(jī)的記憶體空間；D3.結(jié)束該攝影單元的操作；D4.結(jié)束該顯示單元的操作。協(xié)同GPU求解TOEs的影像輸出裝置，包括有:一電腦主機(jī)，該電腦主機(jī)包括有一CPU、一 GPU及一應(yīng)用程序被安裝于該電腦主機(jī)；一顯示單元，電性連接該電腦主機(jī)；該應(yīng)用程序系用以使該電腦主機(jī)執(zhí)行協(xié)同GPU作為求解偏微分方程式的高效能運(yùn)算與三維互動影像輸出的方法，該方法步驟包括:A.由CPU執(zhí)行一三維影像的座標(biāo)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)座標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果設(shè)定模擬所需的邊界條件，以及將邊界條件輸入至GPU ；B.GPU根據(jù)步驟A提供的邊界條件執(zhí)行一偏微分方程式的數(shù)值模擬；C.GPU依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果計算繪圖元素，而繪制具有物理量變化的視覺影像迭合在前述三維影像上，形成三維互動影像由該顯示單元輸出。進(jìn)一步，其中該電腦主機(jī)執(zhí)行步驟B及步驟C中，CPU及GPU之間的資料傳輸僅涉及CPU傳輸工作指令至GPU，以及GPU完成工作后，傳輸回饋指令至CPU。進(jìn)一步，其中該電腦主機(jī)執(zhí)行步驟B的數(shù)值模擬系使用有限體積法，包含計算有限體積法的分離通量及計算有限體積法的狀態(tài)。進(jìn)一步，其中該電腦主機(jī)執(zhí)行步驟C中，GPU結(jié)合CUDA語法加速計算速度。進(jìn)一步，進(jìn)一步包括有一攝影單元電性連接該電腦主機(jī)，該電腦主機(jī)執(zhí)行步驟A的三維影像系由該攝影單元拍攝一標(biāo)記的拍攝影像所產(chǎn)生的擴(kuò)增實(shí)境影像。進(jìn)一步，其中該標(biāo)記為實(shí)體物或投影影像。進(jìn)一步，其中該電腦主機(jī)在執(zhí)行步驟A之前，系先由CPU執(zhí)行電腦系統(tǒng)程序初始化設(shè)定工作，包括有下列步驟:A1.在前述顯示單元顯示繪圖應(yīng)用程序被初始化;A2.CPU指定電腦主機(jī)所需的記憶體空間；A3.將所需模擬的偏微分方程式復(fù)制到GPU的記憶體空間；A4.使用擴(kuò)增實(shí)境工具啟動該攝影單元。進(jìn)一步，其中該電腦主機(jī)在執(zhí)行步驟C之后，再執(zhí)行步驟D:由CPU執(zhí)行電腦系統(tǒng)程序結(jié)束工作，包括下列步驟:Dl.釋放GPU的記憶體空間；D2.釋放電腦主機(jī)的記憶體空間；D3.結(jié)束該攝影單元的操作；D4.結(jié)束該顯示單元的操作。進(jìn)一步，該裝置為個人電腦、游戲主機(jī)或智能型手持裝置任一種。紀(jì)錄媒體，系儲存一應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序使一電腦主機(jī)執(zhí)行協(xié)同GPU作為求解偏微分方程式的高效能運(yùn)算與三維互動影像輸出的方法，該方法的步驟包括:A.由CPU執(zhí)行一三維影像的座標(biāo)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)座標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果設(shè)定模擬所需的邊界條件，以及將邊界條件輸入至GPU ；B.GPU根據(jù)步驟A提供的邊界條件執(zhí)行一偏微分方程式的數(shù)值模擬；C.GPU依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果計算繪圖元素，而繪制具有物理量變化的視覺影像迭合在前述三維影像上，形成三維互動影像由一顯示單元輸出。進(jìn)一步，在步驟B及步驟C中，CPU及GPU之間的資料傳輸僅涉及CPU傳輸工作指令至GPU，以及GPU完成工作后，傳輸回饋指令至CPU。進(jìn)一步，其中步驟B的數(shù)值模擬系使用有限體積法，包含計算有限體積法的分離通量及計算有限體積法的狀態(tài)。進(jìn)一步，在步驟C中，GPU結(jié)合CUDA語法加速計算速度。進(jìn)一步，其中步驟A的三維影像系由一攝影單元拍攝一標(biāo)記的拍攝影像所產(chǎn)生的擴(kuò)增實(shí)境影像。進(jìn)一步，其中該標(biāo)記為實(shí)體物或投影影像。進(jìn)一步，在執(zhí)行步驟A之前，系先由CPU執(zhí)行電腦系統(tǒng)程序初始化設(shè)定工作，包括有下列步驟:A1.在前述顯示單元顯示繪圖應(yīng)用程序被初始化；A2.CPU指定電腦主機(jī)所需的記憶體空間；A3.將所需模擬的偏微分方程式復(fù)制到GPU的記憶體空間；A4.使用擴(kuò)增實(shí)境工具啟動該攝影單元。進(jìn)一步，在步驟C之后，包含有步驟D:由CPU執(zhí)行電腦系統(tǒng)程序結(jié)束工作，包括下列步驟:D1.釋放GPU的記憶體空間；D2.釋放電腦主機(jī)的記憶體空間；D3.結(jié)束該攝影單元的操作；D4.結(jié)束該顯示單元的操作。軟件，用以安裝一應(yīng)用程式在一電腦主機(jī)，該應(yīng)用程式使該電腦主機(jī)執(zhí)行協(xié)同GPU作為求解偏微分方程式的高效能運(yùn)算與三維互動影像輸出的方法，該方法的步驟包括:A.由CPU執(zhí)行一三維影像的座標(biāo)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)座標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果設(shè)定模擬所需的邊界條件，以及將邊界條件輸入至GPU ；B.GPU根據(jù)步驟A提供的邊界條件執(zhí)行一偏微分方程式的數(shù)值模擬；C.GPU依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果計算繪圖元素，而繪制具有物理量變化的視覺影像迭合在前述三維影像上，形成三維互動影像由一顯示單元輸出。進(jìn)一步，在步驟B及步驟C中，CPU及GPU之間的資料傳輸僅涉及CPU傳輸工作指令至GPU，以及GPU完成工作后，傳輸回饋指令至CPU。進(jìn)一步，其中步驟B的數(shù)值模擬系使用有限體積法，包含計算有限體積法的分離通量及計算有限體積法的狀態(tài)。進(jìn)一步，在步驟C中，GPU結(jié)合CUDA語法加速計算速度。進(jìn)一步，其中步驟A的三維影像系由一攝影單元拍攝一標(biāo)記的拍攝影像所產(chǎn)生的擴(kuò)增實(shí)境影像。進(jìn)一步，其中該標(biāo)記為實(shí)體物或投影影像。進(jìn)一步，在執(zhí)行步驟A之前，先由CPU執(zhí)行電腦系統(tǒng)程序初始化設(shè)定工作，包括有下列步驟:A1.在前述顯示單元顯示繪圖應(yīng)用程序被初始化;A2.CPU指定電腦主機(jī)所需的記憶體空間；A3.將所需模擬的偏微分方程式復(fù)制到GPU的記憶體空間；A4.使用擴(kuò)增實(shí)境工具啟動該攝影單元。 進(jìn)一步，在步驟C之后，包含有步驟D:由CPU執(zhí)行電腦系統(tǒng)程序結(jié)束工作，包括下列步驟:D1.釋放GPU的記憶體空間；D2.釋放電腦主機(jī)的記憶體空間；D3.結(jié)束該攝影單元的操作；D4.結(jié)束該顯示單元的操作。本發(fā)明具有下列功效:
1、利用GPU處理涉及物理量相關(guān)的復(fù)雜運(yùn)算，而能高效率地即時輸出運(yùn)算結(jié)果，該輸出結(jié)果至少包含即時的物理量變化及流暢的動態(tài)三維互動影像。2、利用GPU的強(qiáng)大運(yùn)算功能，使得執(zhí)行即時三維互動影像的模擬成本得以大幅降低。3、擴(kuò)增實(shí)境不再僅是單純的三維動態(tài)圖像，而是包括各對象之間在特定參數(shù)下的相互作用，因而包括復(fù)雜物理量變化的三維即時模擬結(jié)果。4、模擬過程中，任一參數(shù)或?qū)ο蟮淖儞Q，都可以得到快速且即時的運(yùn)算結(jié)果并立即輸出。5、使復(fù)雜的運(yùn)算具有高速的輸出，即時且動態(tài)的三維互動影像可達(dá)200張/秒的輸出，甚至更多。6、高效率輸出的結(jié)果，更方便于觀察任一對象在模擬過程中的細(xì)微變化。


圖1為本發(fā)明CPU及GPU協(xié)同運(yùn)算的流程示意 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的步驟C中，使用單一計算單元計算分離通量的示意 圖3為本發(fā)明實(shí)施例的步驟D中，GPU結(jié)合CUDA語法加速運(yùn)算的示意 圖4是CPU及GPU協(xié)同運(yùn)算的流程簡圖，說明本發(fā)明方法較習(xí)知方法具有較高效能運(yùn)算(HPC)；
圖5為習(xí)知CPU及GPU協(xié)同運(yùn)算的流程示意 圖6為習(xí)知GPU計算分離通量的示意圖。
具體實(shí)施例方式綜合上述技術(shù)特征，本發(fā)明協(xié)同GPU求解TOEs的影像輸出方法、裝置及紀(jì)錄媒體、軟件的主要功效可在下述實(shí)施例清楚呈現(xiàn)。請參閱圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例要說明的是利用CPU處理擴(kuò)增實(shí)境影像，并給定模擬條件，再以GPU完全執(zhí)行復(fù)雜的TOEs運(yùn)算，藉由GPU的高效能運(yùn)算能快速的計算出TOEs所代表具有物理量變化的結(jié)果，GPU并將此物理量變化的結(jié)果繪制成視覺影像重迭在前述擴(kuò)增實(shí)境三維影像上，藉以使擴(kuò)增實(shí)境影像能即時(REAL TIME)的輸出具有物理量變化三維互動影像；在圖示中CPU與GPU的協(xié)同運(yùn)算過程中:虛線方塊代表CPU要求GPU執(zhí)行的指令、實(shí)線方塊代表計算工作量執(zhí)行的位置、單實(shí)線箭頭代表CPU與GPU之間進(jìn)行資料傳輸、單虛線箭頭代表CPU與GPU之間工作指令及回饋指令的傳輸，雙實(shí)線則代表由CPU管理掌握整個運(yùn)算模擬的進(jìn)行，最后粗實(shí)線則代表GPU繪圖由顯示單元輸出。
本實(shí)施例的步驟包括:
A.由CPU執(zhí)行電腦系統(tǒng)程序初始化設(shè)定工作，此系統(tǒng)程序初始化設(shè)定工作包括有下列步驟:
Al.在一顯示單元顯示繪圖應(yīng)用程序被初始化，該繪圖應(yīng)用程序例如是OpenGL、DirectDraw或DirectX等等應(yīng)用程序。A2.CPU指定電腦主機(jī)所需的記憶體空間。A3.將所需模擬的偏微分方程式(PDEs)復(fù)制到GPU的記憶體空間。A4.使用擴(kuò)增實(shí)境工具啟動一攝影單元。B.利用擴(kuò)增實(shí)境(AR)的技術(shù)由該攝影單元拍攝一標(biāo)記(marker)的拍攝影像，藉由辨識該拍攝影像而產(chǎn)生一擴(kuò)增實(shí)境的三維影像，而其中該標(biāo)記可以是實(shí)體物標(biāo)記或是由投影機(jī)所產(chǎn)生的投影影像標(biāo)記，再由CPU執(zhí)行該擴(kuò)增實(shí)境三維影像的座標(biāo)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)座標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果設(shè)定模擬所需的邊界條件，以及將邊界條件輸入至GPU。C.GPU根據(jù)步驟A提供的偏微分方程式，以及步驟B提供的邊界條件進(jìn)行TOEs的數(shù)值運(yùn)算，以使用有限體積法運(yùn)算為例，涉及有限體積法分離通量的計算以及有限體積法狀態(tài)的計算，參閱圖1所示，CPU會下達(dá)“計算有限體積法的分離通量”的工作指令給GPU，并由GPU執(zhí)行運(yùn)算，GPU運(yùn)算完成后，會傳輸一回饋指令至CPU，CPU于接收該回饋指令后，下達(dá)下一個工作指令“計算有限體積法的狀態(tài)”至GPU,由GPU執(zhí)行運(yùn)算，并重復(fù)前述運(yùn)算模式，在GPU工作結(jié)束后，傳輸一回饋指令至CPU。請參閱圖2所示，本發(fā)明對于單核GPU而言，可以有效使用單一計算單元進(jìn)行分離通量(F=f (Q))的計算，無須浪費(fèi)計算成本尋找相鄰計算單元，運(yùn)算效率佳。D.參閱圖1所示，在CPU接收回饋指令確認(rèn)GPU完成TOEs的運(yùn)算后，CPU會要求GI3U執(zhí)行繪圖的工作，包括有計算繪圖元素及繪制影像輸出至顯示單元等工作，其中CPU先下達(dá)“計算繪圖元素”的工作指令至GPU，由GPU依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果計算繪圖元素，GPU運(yùn)算完成后，會傳輸一回饋指令至CPU，CPU于接收該回饋指令后，下達(dá)下一個工作指令“繪圖輸出”至GPU，GPU因此可繪制具有物理量變化的視覺影像迭合在前述三維影像上，形成三維互動影像由顯示單元輸出。其中，請參閱圖3所示，在步驟D的運(yùn)算過程中，利用GPU結(jié)合CUDA語法加速計算(Rendering)速度,主要是使用CUDA語法核心從結(jié)構(gòu)記憶空間來處理資料(P)，并執(zhí)行次要的索引轉(zhuǎn)換(IK=T (X))。然后CUDA語法核心重新定義顏色(C)及頂點(diǎn)(V)，并在Rendering之前，將資料儲存于整體記憶空間。在步驟C及步驟D中，CPU及GPU之間的資料傳輸僅涉及CPU傳輸工作指令至GPU，以及GPU完成工作后，傳輸回饋指令至CPU，完全由GPU處理涉及物理量相關(guān)的復(fù)雜運(yùn)算，以及由GPU完全執(zhí)行繪圖輸出，因此能透過GPU本身的高效能運(yùn)算，即時的輸出包含有物理量變化且畫面流暢的動態(tài)三維互動影像；另外，根據(jù)所需模擬工作，可重復(fù)執(zhí)行步驟B至步驟D，即時的輸出不同模擬結(jié)果。E.在|吳擬工作完成后，由CPU最后執(zhí)打電腦系統(tǒng)程序結(jié)束工作,包括下列步驟: El.釋放GPU的記憶體空間。E2.釋放電腦主機(jī)的記憶體空間。E3.結(jié)束該攝影單元的操作。
E4.結(jié)束該顯示單元的操作。經(jīng)由上述程序結(jié)束電腦系統(tǒng)工作。以下以一科學(xué)計算理論說明以本發(fā)明CPU及GPU協(xié)同運(yùn)算中，完全由GPU執(zhí)行F1DEs的運(yùn)算及完全由GPU執(zhí)行繪圖輸出可獲得高效能運(yùn)算(High Performance Computing,HPC)的結(jié)果:
請參閱圖4所示,利用Gustafson’ s Law驗證本發(fā)明計算的加速效果:
權(quán)利要求
1.協(xié)同GPU求解TOEs的影像輸出方法，其特征在于:包括以下步驟: A.由CPU執(zhí)行一三維影像的座標(biāo)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)座標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果設(shè)定模擬所需的邊界條件，以及將邊界條件輸入至GPU ； B.GPU根據(jù)步驟A提供的邊界條件執(zhí)行一偏微分方程式的數(shù)值模擬； C.GPU依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果計算繪圖元素，而繪制具有物理量變化的視覺影像迭合在前述三維影像上，形成三維互動影像由一顯示單元輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的協(xié)同GPU求解TOEs的影像輸出方法，其特征在于:在步驟B及步驟C中，CPU及GPU之間的資料傳輸僅涉及CPU傳輸工作指令至GPU，以及GPU完成工作后，傳輸回饋指令至CPU。
3.如權(quán)利要求1所述的協(xié)同GPU求解TOEs的影像輸出方法，其特征在于:其中步驟B的數(shù)值模擬系使用有限體積法，包含計算有限體積法的分離通量及計算有限體積法的狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求1所述的協(xié)同GPU求解TOEs的影像輸出方法，其特征在于:在步驟C中，GPU結(jié)合CUDA語法加速計算速度。
5.如權(quán)利要求1所述的協(xié)同GPU求解TOEs的影像輸出方法，其特征在于:其中步驟A的三維影像系由一攝影單元拍攝一標(biāo)記的拍攝影像所產(chǎn)生的擴(kuò)增實(shí)境影像。
6.如權(quán)利要求5所述的協(xié)同GPU求解TOEs的影像輸出方法，其特征在于:其中該標(biāo)記為實(shí)體物或投影影像。
7.如權(quán)利要求5所述的協(xié)同GPU求解TOEs的影像輸出方法，其特征在于:在執(zhí)行步驟A之前，先由CPU執(zhí)行電 腦系統(tǒng)程序初始化設(shè)定工作，包括有下列步驟: Al.在前述顯示單元顯示繪圖應(yīng)用程序被初始化； A2.CPU指定電腦主機(jī)所需的記憶體空間； A3.將所需模擬的偏微分方程式復(fù)制到GPU的記憶體空間； A4.使用擴(kuò)增實(shí)境工具啟動該攝影單元。
8.如權(quán)利要求5所述的協(xié)同GPU求解TOEs的影像輸出方法，其特征在于:在步驟C之后，包含有步驟D: 由CPU執(zhí)行電腦系統(tǒng)程序結(jié)束工作，包括下列步驟: Dl.釋放GPU的記憶體空間； D2.釋放電腦主機(jī)的記憶體空間； D3.結(jié)束該攝影單元的操作； D4.結(jié)束該顯示單元的操作。
9.協(xié)同GPU求解TOEs的影像輸出裝置，其特征在于:包括有: 一電腦主機(jī)，該電腦主機(jī)包括有一 CPU、一 GPU及一應(yīng)用程序被安裝于該電腦主機(jī)； 一顯示單元，電性連接該電腦主機(jī)； 該應(yīng)用程序系用以使該電腦主機(jī)執(zhí)行協(xié)同GPU作為求解偏微分方程式的高效能運(yùn)算與三維互動影像輸出的方法，該方法步驟包括: A.由CPU執(zhí)行一三維影像的座標(biāo)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)座標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果設(shè)定模擬所需的邊界條件，以及將邊界條件輸入至GPU ； B.GPU根據(jù)步驟A提供的邊界條件執(zhí)行一偏微分方程式的數(shù)值模擬；c.GPU依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果計算繪圖元素，而繪制具有物理量變化的視覺影像迭合在前述三維影像上，形成三維互動影像由該顯示單元輸出。
10.如權(quán)利要求9所述的協(xié)同GPU求解TOEs的影像輸出裝置，其特征在于:其中該電腦主機(jī)執(zhí)行步驟B及步驟C中，CPU及GPU之間的資料傳輸僅涉及CPU傳輸工作指令至GPU，以及GPU完成工作后，傳輸回饋指令至CPU。
11.如權(quán)利要求9所述的協(xié)同GPU求解TOEs的影像輸出裝置，其特征在于:其中該電腦主機(jī)執(zhí)行步驟B的數(shù)值模擬系使用有限體積法，包含計算有限體積法的分離通量及計算有限體積法的狀態(tài)。
12.如權(quán)利要求9所述的協(xié)同GPU求解TOEs的影像輸出裝置，其特征在于:其中該電腦主機(jī)執(zhí)行步驟C中，GPU結(jié)合CUDA語法加速計算速度。
13.如權(quán)利要求9所述的協(xié)同GPU求解TOEs的影像輸出裝置，其特征在于:進(jìn)一步包括有一攝影單元電性連接該電腦主機(jī)，該電腦主機(jī)執(zhí)行步驟A的三維影像系由該攝影單元拍攝一標(biāo)記的拍攝影像所產(chǎn)生的擴(kuò)增實(shí)境影像。
14.如權(quán)利要求13所述的協(xié)同GPU求解TOEs的影像輸出裝置，其特征在于:其中該標(biāo)記為實(shí)體物或投影影像。
15.如權(quán)利要求13所述的協(xié)同GPU求解TOEs的影像輸出裝置，其特征在于:其中該電腦主機(jī)在執(zhí)行步驟A之前，系先由CPU執(zhí)行電腦系統(tǒng)程序初始化設(shè)定工作，包括有下列步驟: Al.在前述顯示單元顯示繪圖應(yīng)用程序被初始化； A2.CPU指定電腦主機(jī)所需的記憶體空間； A3.將所需模擬的偏微分 方程式復(fù)制到GPU的記憶體空間； A4.使用擴(kuò)增實(shí)境工具啟動該攝影單元。
16.如權(quán)利要求13所述的協(xié)同GPU求解TOEs的影像輸出裝置，其特征在于:其中該電腦主機(jī)在執(zhí)行步驟C之后，再執(zhí)行步驟D: 由CPU執(zhí)行電腦系統(tǒng)程序結(jié)束工作，包括下列步驟: Dl.釋放GPU的記憶體空間； D2.釋放電腦主機(jī)的記憶體空間； D3.結(jié)束該攝影單元的操作； D4.結(jié)束該顯示單元的操作。
17.如權(quán)利要求9所述的協(xié)同GPU求解TOEs的影像輸出裝置，其特征在于:該裝置為個人電腦、游戲主機(jī)或智能型手持裝置任一種。
18.紀(jì)錄媒體，其特征在于:系儲存一應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序使一電腦主機(jī)執(zhí)行協(xié)同GPU作為求解偏微分方程式的高效能運(yùn)算與三維互動影像輸出的方法，該方法的步驟包括: A.由CPU執(zhí)行一三維影像的座標(biāo)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)座標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果設(shè)定模擬所需的邊界條件，以及將邊界條件輸入至GPU ； B.GPU根據(jù)步驟A提供的邊界條件執(zhí)行一偏微分方程式的數(shù)值模擬； C.GPU依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果計算繪圖元素，而繪制具有物理量變化的視覺影像迭合在前述三維影像上，形成三維互動影像由一顯示單元輸出。
19.如權(quán)利要求18所述的紀(jì)錄媒體，其特征在于:在步驟B及步驟C中，CPU及GPU之間的資料傳輸僅涉及CPU傳輸工作指令至GPU，以及GPU完成工作后，傳輸回饋指令至CPU。
20.如權(quán)利要求18所述的紀(jì)錄媒體，其特征在于:其中步驟B的數(shù)值模擬系使用有限體積法，包含計算有限體積法的分離通量及計算有限體積法的狀態(tài)。
21.如權(quán)利要求18所述的紀(jì)錄媒體，其特征在于:在步驟C中，GPU結(jié)合CUDA語法加速計算速度。
22.如權(quán)利要求18所述的紀(jì)錄媒體，其特征在于:其中步驟A的三維影像系由一攝影單元拍攝一標(biāo)記的拍攝影像所產(chǎn)生的擴(kuò)增實(shí)境影像。
23.如權(quán)利要求22所述的紀(jì)錄媒體，其特征在于:其中該標(biāo)記為實(shí)體物或投影影像。
24.如權(quán)利要求22所述的紀(jì)錄媒體，其特征在于:在執(zhí)行步驟A之前，系先由CPU執(zhí)行電腦系統(tǒng)程序初始化設(shè)定工作，包括有下列步驟: Al.在前述顯示單元顯示繪圖應(yīng)用程序被初始化； A2.CPU指定電腦主機(jī)所需的記憶體空間； A3.將所需模擬的偏微分方程式復(fù)制到GPU的記憶體空間； A4.使用擴(kuò)增實(shí)境工具啟動該攝影單元。
25.如權(quán)利要求22所述的紀(jì)錄媒體，其特征在于:在步驟C之后，包含有步驟D: 由CPU執(zhí)行電腦系統(tǒng) 程序結(jié)束工作，包括下列步驟: Dl.釋放GPU的記憶體空間； D2.釋放電腦主機(jī)的記憶體空間； D3.結(jié)束該攝影單元的操作； D4.結(jié)束該顯示單元的操作。
26.軟件，其特征在于:用以安裝一應(yīng)用程式在一電腦主機(jī)，該應(yīng)用程式使該電腦主機(jī)執(zhí)行協(xié)同GPU作為求解偏微分方程式的高效能運(yùn)算與三維互動影像輸出的方法，該方法的步驟包括: A.由CPU執(zhí)行一三維影像的座標(biāo)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)座標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果設(shè)定模擬所需的邊界條件，以及將邊界條件輸入至GPU ； B.GPU根據(jù)步驟A提供的邊界條件執(zhí)行一偏微分方程式的數(shù)值模擬； C.GPU依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果計算繪圖元素，而繪制具有物理量變化的視覺影像迭合在前述三維影像上，形成三維互動影像由一顯示單元輸出。
27.如權(quán)利要求26所述的軟件，其特征在于:在步驟B及步驟C中，CPU及GPU之間的資料傳輸僅涉及CPU傳輸工作指令至GPU，以及GPU完成工作后，傳輸回饋指令至CPU。
28.如權(quán)利要求26所述的軟件，其特征在于:其中步驟B的數(shù)值模擬系使用有限體積法，包含計算有限體積法的分離通量及計算有限體積法的狀態(tài)。
29.如權(quán)利要求26所述的軟件，其特征在于:在步驟C中，GPU結(jié)合CUDA語法加速計算速度。
30.如權(quán)利要求26所述的軟件，其特征在于:其中步驟A的三維影像系由一攝影單元拍攝一標(biāo)記的拍攝影像所產(chǎn)生的擴(kuò)增實(shí)境影像。
31.如權(quán)利要求26所述的軟件，其特征在于:其中該標(biāo)記為實(shí)體物或投影影像。
32.如權(quán)利要求26所述的軟件，其特征在于:在執(zhí)行步驟A之前，先由CPU執(zhí)行電腦系統(tǒng)程序初始化設(shè)定工作，包括有下列步驟: Al.在前述顯示單元顯示繪圖應(yīng)用程序被初始化； A2.CPU指定電腦主機(jī)所需的記憶體空間； A3.將所需模擬的偏微分方程式復(fù)制到GPU的記憶體空間； A4.使用擴(kuò)增實(shí)境工具啟動該攝影單元。
33.如權(quán)利要求26所述的軟件，其特征在于:在步驟C之后，包含有步驟D: 由CPU執(zhí)行電腦系統(tǒng)程序結(jié)束工作，包括下列步驟: Dl.釋放GPU的記憶體空間； D2.釋放電腦主機(jī)的記憶體空間； D3.結(jié)束該攝影單元的操作； D4.結(jié)束該顯示單 元的操作。
全文摘要
本發(fā)明為協(xié)同GPU求解PDEs的影像輸出方法、裝置及紀(jì)錄媒體、軟件，用以執(zhí)行下列步驟A.由CPU執(zhí)行一三維影像的座標(biāo)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)座標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果設(shè)定模擬所需的邊界條件，以及將邊界條件輸入至GPU；B.GPU根據(jù)步驟A提供的邊界條件執(zhí)行一偏微分方程式的數(shù)值模擬；C.GPU依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果計算繪圖元素，而繪制具有物理量變化的視覺影像迭合在前述三維影像上，形成三維互動影像由一顯示單元輸出。本發(fā)明完全由GPU執(zhí)行PDEs運(yùn)算，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果繪制具有物理量變化的三維互動影像，適用于許多具有物理現(xiàn)象的模擬。
文檔編號G06T13/20GK103198506SQ20121039957
公開日2013年7月10日 申請日期2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月21日
發(fā)明者李汶華, 甘恒全 申請人:甘恒全