基于GPGPU的立体成像加速与嵌入式多屏3D显示技术研究

作     者：韩世广 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谭怀亮;王海龙

授予年度：2014年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0803[工学-光学工程] 

主      题：嵌入式图形系统 分层模块化 多屏显示 三维显示 OpenGL/OpenCL协作 立体成像 

摘      要：随着嵌入式图形系统的发展,具有多屏和三维(ThreeDimensional,3D)显示功能的嵌入式图形系统的需求越来越迫切。然而,现有的嵌入式图形系统均不能很好地支持多屏和3D显示。近年来,研究人员在已有嵌入式图形系统的基础上,实现了软件加速的3D显示支持;但是CPU占用率高,性能达不到要求。支持多输出、OpenGL和OpenCL的嵌入式图形芯片的发展,为实现多屏显示和3D显示提供了硬件基础。本文分层模块化设计和实现了一种嵌入式多屏3D显示图形系统EM3D,该图形系统实现了单个显卡多个输出显示和3D硬件加速显示的3D显示支持。在嵌入式系统中,有限的资源使得性能问题突出,在多屏多3D应用情况下更甚。GPGPU(通用计算GPU)发展迅速,为了提高系统性能,本文提出了加速3D图形应用的方法:基于OpenGL/OpenCL的异构计算与图形渲染协作的模型,实现了基于该模型的立体成像的加速。在该模型中,OpenCL用来加速计算,OpenGL/OpenCL协作减少通信。本文工作主要包括以下几个方面:首先,叙述了基于OpenGL/OpenCL的异构计算与图形渲染协作模型,提出了基于该模型的立体成像的加速方法。立体成像的偏移计算适于SIMD并行计算,并且立体成像的计算结果将会显示,所以立体成像适于通过该模型加速。OpenGL提供了与OpenCL协作的机制与相应的API,所以可以实现OpenGL对象的GPU通用计算。OpenGL对象的GPU通用计算相较于OpenGL对象的CPU计算,减少了CPU和GPU之间的通信量和CPU的计算量,提高了性能。其次,分层模块化设计、实现了单卡多屏3D显示图形系统。在确定系统的功能和性能需求的基础上,采用分层模块化方法设计了系统结构,主要包括三个层次:底层硬件驱动层、图形引擎层以及图形库层和五个模块:图形设备初始化模块、图形引擎模块、3D加速渲染模块以及2D、3D图形库函数模块;并详细描述了多屏检测、3D显示支持以及通信模块的原理和实现方法。最后,搭建开发调试平台,对系统进行功能和性能方面的测试。测试内容包括图形系统的测试和异构计算与图形渲染协作模型的测试。测试结果表明,图形系统功能和性能均达到设计要求,异构计算与图形渲染协作模型能够显著加速图形应用,立体成像加速到7倍。