基于GPU的大气辐射传输特性快速计算技术研究

摘要

红外技术在最近几年的蓬勃发展，一方面带来了快速处理红外图像的需求，另一方面也对红外图像处理是否准确提出了挑战。而GPU(Graphics Processing Unit，图形处理单元)高性能异构计算作为一种新兴的高性能计算解决方案，以其强大的计算能力和低廉的成本正在越来越广泛地应用于各行各业。在过去的几年中，基于GPU的高性能计算飞速发展，大量的研究也不断表明GPU计算相对于传统的CPU计算有着巨大的优势。
　　本课题来源于交通运输部重大科技项目《恶劣海况下直升机救助能力提升关键技术与示范》—恶劣海况下海面遇险目标快速搜寻定位关键技术与应用系统研究。为了在恶劣海况下排除大气传输辐射干扰，更加精确快速地发现海上遇险目标，本课题组建立了大气辐射传输特性模型并自行设计完成了特性参数的计算程序。不过由于求解过程中计算量较大，该软件无法利用现有的CPU达到实时计算的目标，因此本文利用GPU快速计算实时地去除成像路径上大气辐射传输对目标成像的影响，为图像的后续处理以及准确及时的发现目标做准备。
　　本文从国内外关于GPU加速和大气传输特性参数快速计算的相关研究现状出发，首先简要介绍GPU异构计算平台的硬件结构、编程模型。然后通过分析大气传输特性参数计算算法的特点，运用C++ AMP编程语言在MVC编程模式下，将程序的各部分功能分为控制器、视图和模块三个部分，通过标准化、模块化、并行化三步走的方式，实现了大气传输特性参数在GPU平台上的快速计算。最后通过比对计算结果验证了程序的准确性，并在此基础上通过数据分析发现AMDRadeon HD7870显卡在可见光波段可将原程序从平均耗时2304ms降低到18ms，在中红外波段则可以加速至仅耗时16ms，完全满足图像实时处理的耗时小于40ms要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 GPU相关应用研究

1．2．2 大气辐射传输特性的研究现状

1．3 论文研究内容与结构

第2章 GPU快速计算原理

2．1 硬件结构

2．1．1 基本硬件结构

2．1．2 共享存储硬件结构

2．2 编程模型

2．3 编程语言

2．4 显卡对比

2．5 性能考量

2．6 本章小结

第3章 大气传输特性参数快速计算方法

3．1 大气辐射传输模型

3．2 基于CPU的软件实现

3．2．1 软件平台与参数

3．2．2 软件的流程

3．3 基于GPU的快速计算方法与软件实现

3．3．1 标准化

3．3．2 模块化

3．3．3 并行化

3．4 本章小结

第4章 软硬件实现与性能验证

4．1 软硬件实现

4．2 快速计算方法精度验证

4．2．1 晴天无云无雨天气条件下验证结果

4．2．2 晴天有云天气条件下验证结果

4．2．3 雾天小雨天气条件下验证结果

4．3 快速计算方法实时性验证

4．4 本章小结

总结

参考文献

致谢

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