基于cpu-gpu异构平台的图像处理的加速研究

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1、基于CPU-GPU异构平台的图像处理的加速研究作者姓名宋展导师姓名、职称吴家骥教授一级学科电子科学与技术二级学科电路与系统申请学位类别工学硕士提交学位论文日期2014年11月学校代码10701学号1202120866分类号TP39密级公开西安电子科技大学硕士学位论文基于CPU-GPU异构平台的图像处理的加速研究作者姓名：宋展一级学科：电子科学与技术二级学科：电路与系统学位类别：工学硕士指导教师姓名、职称：吴家骥教授提交日期：2014年11月AStudyofAcceleratingImageProcessingBasedonCPU-GPUHeterogeneousPlat

2、formAthesissubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinElectronicScienceandTechnologyBySongzhanSupervisor:Prof.WujiajiNovember2014西安电子科技大学毕业论文独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经

3、发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文若有不实之处，本人承担一切法律责任。本人签名：日期：西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅、借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，获得学位后结合学位论文研究成果撰写

4、的文章，署名单位为西安电子科技大学。保密的学位论文在年解密后适用本授权书。本人签名：导师签名：日期：日期：摘要摘要高性能计算为解决所面临的科技难题提供了强大的计算能力，并将大大促进经济的发展和生活水平的提高。目前，并行计算是高性能计算采用的一个主要实现方式，其中GPU就是一个不错的选择。GPU的图形计算有着天然的内在并行性，其内部拥有大量的并行计算单元，这使得GPU吸引了许多从事于并行计算研究的学者的关注。自NVIDIA在2007年推出CUDA架构以后，GPGPU（GeneralPurposeGPU）在科学技术和工程领域获得了大量成功的应用。本文主要围绕视频去隔行、图像

5、插值和二维海面模拟这三方面的问题在GPU上的通用计算进行研究。这三个问题都存在计算复杂度高的问题，但是它们的计算过程存在着高度的并行性。因此，我们借助CPU-GPU异构平台提供的强大计算能力，对这三个问题进行并行实现，并进行了精细的优化，最终大大提高了它们的执行效率。本文的主要研究内容如下：1.基于边缘自适应场内去隔行方案是根据图像中像素的关联性，估计出空缺位置的像素点。该算法有效的改善了视频的画面质量，同时为不同视频扫描格式转换搭起了桥梁。利用隔行扫描图像上已知的像素，通过预测模型求出奇场偶数行或偶场奇数行上的未知的像素，最终估计出逐行扫描的图像。该算法的计算过程具有

6、天然的并行性，每一个缺失像素的估计过程都是独立的。因此，我们在基于CPU-GPU的异构平台上设计并实现了该方法的并行方案，利用共享内存、寄存器、异步数据传输和多GPU优化，最终得到了94.6x的加速比。2.通过基于自回归模型的图像插值方案获得的重构图像，在图像质量和视觉效果方面都优于过去被普遍使用的线性插值方法。整个算法分为两步：首先根据采样图像上的已知像素构造预测模型，获得重构图像上未知像素的预测权值；然后根据第一步求得的未知像素对已知像素进行反馈，调整预测权值，最终求得整个算法的最优解。由于高分辨率图像上的每一个未知像素的插值过程是独立的，因此我们可以充分利用GPU

7、强大的计算能力对插值过程加速。经过精细优化，在保证图像质量一致的情况下，最终获得了21.2x的加速比。3.二维海面模拟是研究海洋及其上面组合物体的电磁散射的关键技术。本文的二维海面模拟是建立在海浪谱的线性波理论的基础之上，通过线性叠加法实现二维海面的模拟。在生成二维海面过程中，采样间隔越小，模拟的海面越精细，这意味需要更大的计算量。由于每个采样点的计算是独立的，因此我们可以采用并行的策略来实施更加精细海面的模拟。本文在CPU-GPU平台上实现了二I西安电子科技大学硕士学位论文维海面模拟的并行方案，大大提高了海面模拟的执行效率，最终获了31