《基於光線追蹤機制的三維集成圖形處理器體系結構研究》是依託清華大學，由鄧仰東擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於光線追蹤機制的三維集成圖形處理器體系結構研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：鄧仰東
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
圖形顯示是人機互動的核心手段，目前幾乎所有個人計算機、平板電腦和智慧型手機都裝備圖形處理單元(Graphics Processing Unit, GPU)來實現顯示功能。光柵化和光線追蹤是實現圖形顯示的兩類主要算法，前者被主流商業GPU所廣泛使用，而後者允許高度逼真的光影效果、並在高度複雜場景下具有較低的算法複雜度。由於人類對於顯示質量的要求日益提高和顯示場景複雜度快速提升，光線追蹤算法在滿足新一代圖形套用方面具有巨大潛力，有望成為下一代主流圖形顯示方法。本課題在深入分析光線追蹤算法的基礎上，探索基於光線追蹤算法的眾核圖形處理器體系結構(微架構，microarchitecture)。通過發展具備良好擴展性的眾核體系結構和兼顧不同計算模式的組織與調度方式、並利用三維積體電路消除傳統GPU體系結構的性能瓶頸，本課題的設計目標為在1280x1024解析度下實現接近實時性能(～15幀/秒)的顯示速率
結題摘要
由於人類對於顯示質量的要求日益提高和顯示場景複雜度快速提升，傳統光柵式顯示算法已經難以繼續帶領視覺體驗的提高。光線追蹤算法在滿足新一代圖形套用方面具有巨大潛力，有望成為下一代主流圖形顯示方法。本項目在深入分析光線追蹤算法的基礎上，探索基於光線追蹤算法的眾核圖形處理器體系結構。本項目首先對光線追蹤算法和硬體進行了全面梳理，並且構建了軟體仿真平台和硬體實驗環境，開發了世界首個基於FPGA的圖形處理器體系結構仿真工具，該工作已經在2013年International Conference on Computer Design會議發表，獲得了最佳論文獎。提出了一種高速KD-tree構建算法，通過在完全樹基礎上由底向上刪除冗餘節點而形成樹結構，能夠保證充分的並行度，將構造時間縮短一到兩個數量級，達到了目前KD-tree構建的最高性能。該工作已經被ACM SIGGRAPH Symposium on Interactive 3D Graphics and Games 2017接受，評審人認為“該論文是推進kd-tree構造的里程碑”。通過改進光線追蹤算法、並且剖析在移動平台上實現光線追蹤顯示的可行性和主要瓶頸，實現了世界首個基於移動平台的光線追蹤渲染器。在此基礎上，設計新的光線追蹤硬體體系結構，提出了一種聚合調度機制，通過對光線追蹤算法進行等價變換，建立了一種分塊訪問空間加速數據結構的算法流程，構造了能夠根據光線實際情況的按需調度體制及其相關硬體，能夠提升光線追蹤性能40%以上。同時，探索了光線追蹤硬體在近眼光場立體顯示器和通用計算方面的潛在套用。本項目設計的光線追蹤處理器的FPGA原型已經套用到近眼光場立體顯示器，並完成了系統原型。實驗結果表明該處理器能夠完成3-D多視角立體顯示，支持單目深度線索，帶來更好的觀影感受。通過發展具備良好擴展性的眾核體系結構和兼顧不同計算模式的組織與調度方式，本課題設計的硬體體系結構能夠在1280x1024解析度下實現支持實時性能的顯示速率。本項目驗證了光線追蹤成為下一代主流顯示算法的可行性，發展高性能光線追蹤處理器體系結構，為未來圖形處理器積累關鍵技術。
