基于点源模型计算全息图生成的快速算法研究

论文摘要

随着3D显示技术在各行各业的快速发展,全息三维显示技术也越来越被受关注。由于全息三维显示技术是最有发展前景的三维立体显示技术,它可以提供三维物体真实的深度和色彩信息。目前,影响全息三维显示技术发展的一个原因是计算全息图计算量庞大,很难达到实时显示的需求。另一个原因是如何获得大视场角和高分辨率的再现像。针对问题一,本文主要研究内容是如何利用高性能硬件提高全息图的计算速度。本文内容概述如下:首先,对全息术技术的发展进行了简单的概述,介绍了计算全息的研究意义和国内外全息技术的发展情况、研究方向等内容。主要介绍了以点源模型计算全息图发展的四个方向,同时介绍了各个方法的优缺点。为下文中的全息技术理论介绍和研究方向做铺垫。其次,分析了衍射的角谱理论、基尔霍夫公式、瑞利-索末菲公式、菲涅尔衍射以及夫琅禾费衍射。简要的介绍了传统全息术的原理和分类,以计算全息为重点,研究了计算全息图的不同生成方法,其中本文使用的是具有高度灵活和操作简单的点源模型来完成衍射场的计算。最后,介绍了几种全息图编码的方法,这是计算全息技术中必不可少的一部分。接着,研究了基于CPU和基于GPU的并行计算生成全息图的方法,分别在MATLAB和CUDA编程平台中实现了基于CPU和基于GPU的全息图并行计算算法,对计算结果进行了比较。并对计算机模拟的全息图结果进行了光学实验的验证,结果表明加速算法是正确、有效的。最后,研究了基于多核CPUs-GPU异构系统的计算全息图快速生成算法,实现了CPUs-GPU系统的四种任务分配算法,其中本文使用的是二分搜索算法。通过多次迭代找到最优的任务分配,来指导CPUs-GPU系统的运行。并且研究了异构系统中的数据传输优化问题,提出了串行多次的任务调度和中间结果复用的方法来优化。并且利用基于CUDA的GPU编程做了几种优化处理。使CPUs-GPU系统的性能比单独的CPU或GPU有很大的提升。充分的利用了计算机的计算资源。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究背景和意义
•   1.2 课题研究现状
•     1.2.1 查找表法
•     1.2.2 波前记录平面法
•     1.2.3 降低公式复杂量
•     1.2.4 使用高性能硬件
•   1.3 论文主要内容及结构安排
• 第二章 计算全息原理研究
•   2.1 常用衍射公式及分析
•     2.1.1 衍射的角谱理论
•     2.1.2 基尔霍夫公式及瑞利-索末菲公式
•     2.1.3 菲涅尔衍射
•     2.1.4 夫琅禾费衍射
•   2.2 传统全息术原理与分类
•     2.2.1 传统全息术概述
•     2.2.2 传统光全息术原理
•     2.2.3 传统全息分类
•   2.3 计算全息原理
•     2.3.1 基于点光源的方法
•     2.3.2 基于面光源的方法
•     2.3.3 基于快速傅里叶变换的方法
•   2.4 全息图的编码方法
•   2.5 本章小结
• 第三章 并行加速生成CGH研究与实现
•   3.1 并行计算概述
•   3.2 GPU与 CPU对比
•   3.3 CGH并行理论基础
•     3.3.1 CRT耗时原因
•     3.3.2 并行加速可行性
•   3.4 基于MATLAB并行计算建模
•     3.4.1 Parfor
•     3.4.2 GPUArray
•     3.4.3 GPUmat
•     3.4.4 基于MATLAB的全息图快速算法
•   3.5 基于CUDA GPU并行计算建模
•     3.5.1 CUDA概述
•     3.5.2 CUDA编程基础
•     3.5.3 基于CUDA GPU的计算全息图快速生成算法
•   3.6 基于MATLAB和基于CUDA计算平台性能比较
•   3.7 本章小结
• 第四章 基于多核CPU与 GPU异构系统的全息图计算系统设计与优化
•   4.1 多核CPU与 GPU异构系统概述
•   4.2 异构系统计算全息图的设计
•     4.2.1 系统设计
•   4.3 异构系统计算全息图的优化
•     4.3.1 基于任务分配的优化
•     4.3.2 基于数据传输的优化
•     4.3.3 基于CUDA编程的优化
•   4.4 理论模拟及实验结果分析
•     4.4.1 模拟结果
•     4.4.2 实验结果
•   4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 主要工作总结
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间发表论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 金晓宇

导师: 桂进斌

关键词: 全息术,计算全息,点源法,并行计算,异构系统

来源: 昆明理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,计算机软件及计算机应用

单位: 昆明理工大学

分类号: O438.1;TP391.41

DOI: 10.27200/d.cnki.gkmlu.2019.000382

总页数: 98

文件大小: 4758K

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