Разработка и анализ программно-алгоритмических средств высокоскоростной обработки графической информации и управления в бортовых приборах визуализации изображений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Милов, Алексей Николаевич

• Милов, Алексей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Милов, Алексей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 . АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ АППАРАТНЫХ И ПРОГРАММНО

АЛГОРИТМИЧЕСКИХ СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ БОРТОВЫМИ ПРИБОРАМИ

ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ.

1.1. Предметная область построения бортовых приборов визуализации (БПВ)

1.2. Анализ современных алгоритмов и методов обработки графической информации. Уравнение рендеринга и методы его решений.з

1.2.1. Анализ операций стадии преобразования координат.

1.2.2. Анализ операций стадии вычислительной геометрии.

1.2.3. Анализ операций стадии растеризации.

1.2.4. Анализ операций стадии сборки фрагментов.

1.2.5. Оценка вычислительной сложности операций ГК.

1.3. Сравнительный анализ современных программных интерфейсов для реализации управления в бортовых приборах визуализации изображений.

1.4. Анализ современных аппаратных средств микроэлектроники для построения бортовых приборов визуализации изображений.

1.5. Архитектурные особенности гетерогенных многоядерных систем на кристалле для реализации обработки графической информации в БПВ.

1.6. Анализ алгоритмов и методов организации последовательно-параллельного программного графического конвейера и их недостатков

1.7. Цели и задачи диссертационной работы.

Выводы.

ГЛАВА 2 . СИНТЕЗ СТРУКТУРЫ ПАРАЛЛЕЛЬНО ФУНКЦИОНИРУЮЩЕГО

ПРОГРАММНОГО ГРАФИЧЕСКОГО КОНВЕЙЕРА В ГЕТЕРОГЕННОЙ

МНОГОЯДЕРНОЙ СИСТЕМЕ НА КРИСТАЛЛЕ.

2.1. Постановка задачи эффективного управления графическим конвейером в гетерогенной многоядерной системе на кристалле.

2.2. Анализ методов организации обработки заданий в параллельных вычислительных системах.

2.3. Теоретико-множественная формализация задачи эффективного управления графическим конвейером в гетерогенной многоядерной системе на кристалле.

2.4. Разработка модели функционирования вычислительных узлов в многоядерном приборе визуализации изображений.

2.5. Разработка алгоритма постадийной конвейеризации.

2.6. Функциональная декомпозиция архитектуры OpenGL в гетерогенной многоядерной системе на кристалле.

2.7. Анализ требований к показателям производительности гетерогенной многоядерной системы при обработке графической информации.

2.8. Сравнительный анализ разработанных алгоритмов управления программным графическим конвейером в многопроцессорном БПВ.

Выводы.

ГЛАВА 3 . РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ

УПРАВЛЕНИЯ БОРТОВЫМИ ПРИБОРАМИ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

ИЗОБРАЖЕНИЙ.

3.1. Декомпозиция архитектуры программного обеспечения приборов визуализации изображений.

3.2. Разработка и анализ вариантов распределения вычислительных операций между мезонинным БПВ и несущей БЦВМ.

3.3. Определение набора программных инструментов для управления бортовыми приборами визуализации изображений.

3.4. Архитектура аппаратного построения приборов визуализации изображений и разработка их программного обеспечения.

3.5. Основные отличительные особенности приборов визуализации изображений нового поколения.

3.6. Создание концептуальных элементов программного обеспечения технологической контрольно-проверочной аппаратуры (ПО ТКПА).

3.6.1. Разработка методики тестирования компонентов приборов визуализации изображений.

3.6.2. Разработка архитектуры ПО ТКПА и алгоритма тестирования компонентов БПВ.

3.7. Разработка программного обеспечения для диагностики, отладки и автоматизированной поддержки обновлений графической визуализации. 138 Выводы.

ГЛАВА 4 . ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММ, АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ВНЕДРЕНИЯ И ОСОБЕННОСТЕЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БОРТОВЫХ ПРИБОРОВ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ.

4.1. Апробация работы и результаты внедрения.

4.2. Практические аспекты создания программного обеспечения бортовых приборов визуализации изображений.

4.3. Описание комплекса программно-аппаратных средств ТКПА.

4.4. Разработка алгоритма и методики оценки производительности приборов визуализации изображений.

4.5. Результаты экспериментального исследования производительности бортовых приборов визуализации изображений.

4.6. Разработка рекомендаций по эффективному применению созданного программного обеспечения для достижения наилучшей производительности бортовых приборов визуализации.

4.7. Синтез комплексного алгоритма бортовой визуализации.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и анализ программно-алгоритмических средств высокоскоростной обработки графической информации и управления в бортовых приборах визуализации изображений»

Актуальность проблемы

Развитие высокотехнологичных отраслей является приоритетом современной государственной политики в области промышленного производства каждой современной страны, поскольку предоставляет подавляющие конкурентные преимущества, как в коммерческом аспекте, так и военно-стратегическом. Так, например, в последние годы страны североатлантического альянса прилагают усилия по блокированию приобретения третьими странами даже устаревающих технологий производства микроэлектронных интегральных схем с проектными нормами 0,250,13 мкм, не говоря уже об электронных компонентах, которые могут быть использованы для создания систем вооружений.

Одними из таких компонентов являются бортовые микроэлектронные приборы, функционирующие как в авиационных и космических аппаратах, так и на морских суднах, и в наземной технике (как гражданской, так и военной). Такие приборы должны отвечать национальным требованиям к климатическим условиям применения. Вместе с тем, перечень типичных бортовых вычислительных задач достаточно разнообразен: радиолокация, гидроакустика, связь, сигнальная обработка, управление объектами с использованием высокоточных адаптивных методов, обработка звука, индикация и визуализация. Поэтому создание и развитие широкой номенклатуры узкоспециализированных микроэлектронных устройств в свете глобальной тенденции к унификации производства представляется малоэффективной стратегией развития микроэлектронной промышленности. Это связано как со сложностью непосредственно проектирования устройств, так и с очевидными экономическими потерями от программирования, тестирования, сборки и настройки разнотипных микроэлектронных устройств и систем на их основе. Экономически более эффективным является подход к унификации проектирования микроэлектронных устройств, когда одно универсальное программируемое устройство является вычислительным узлом, решающим несколько задач с сопоставимой вычислительной сложностью. Вместе с тем в последних поколениях вычислительных устройств ведущие мировые производители (среди которых Intel, AMD, nVidia, ATI, S3, Matrox) все больше стараются использовать преимущества различных способов масштабирования производительности. 6

Одной из критически важных современных задач бортовых микроэлектронных приборов с точки зрения требуемой производительности является визуализация трехмерной подстилающей поверхности. Для ее решения на борту пилотируемого летательного аппарата (ПЛА) предусмотрены специальные устройства отображения - индикаторы. До настоящего времени бортовые индикаторы имели возможность отображать лишь самые необходимые параметры полета: положение судна относительно мировой системы координат; заданный курс, отклонение от заданного курса и основные ориентиры; скорость атмосферного воздуха, скорость подъема или снижения и набранную высоту. Приборы, преобразующие и обрабатывающие информацию для отображения на индикаторе, получили название бортовых приборов визуализации изображений (БПВ). Визуальное изображение подстилающей поверхности, отображенное на индикаторе, позволит пилоту более оперативно оценить обстановку и принять управляющее решение особенно в плохих погодных условиях или в темное время суток.

Зарубежные центры проектирования СБИС (например, nVidia, ATI), работающие в области компьютерной графики, широко применяют свой опыт в области разработки коммерческих специализированных микросхем для создания БПВ [1]. В ряде стран (например, США) существуют фирмы, специализирующиеся исключительно на производстве современных компонентов авионики (Rockwell Collins Inc.[ 2], Quantum 3D Inc.[ 1], Esterel Technologies [3]). Разработка и изготовление отечественных бортовых приборов ведется на ряде предприятий, среди которых: ОАО «Раменское Приборостроительное Конструкторское Бюро», ФГУП «НИИ «Субмикрон», ОАО «Научно-Конструкторское Бюро Вычислительных Систем» г. Таганрог. Число отечественных предприятий, работающих в области проектирования СБИС, весьма ограничено. Среди них необходимо отметить такие известные предприятия, как ОАО «Ангстрем», ОАО «НИИ МЭ и завод Микрон», ЗАО «МЦСТ», ГУЛ НПЦ «ЭЛВИС», НИИСИ РАН, НТЦ «Модуль», которые специализируются на выпуске универсальных программируемых СБИС общего применения. Особое место среди них по праву занимает ГУП НПЦ «ЭЛВИС», развивая собственную программируемую IP-ядерную (Intellectual Property) платформу проектирования гетерогенных многоядерных систем на кристалле «Мультикор». Такая платформа проектирования сочетает в себе вышеупомянутые экономические преимущества, а также делает возможным создание в короткие сроки интегральных микросхем, соответствующих входным требованиям по уровню производительности и функциональности аппаратуры [4]. Критически важным аспектом в обеспечении обороноспособности страны является построение бортовых приборов на отечественной элементной базе.

В связи с вышеизложенными аспектами актуальными являются исследования, направленные на создание бортовых приборов визуализации нового поколения, решающих задачи интерактивной визуализации подстилающей поверхности с использованием универсальных СБИС с многоядерной архитектурой.

Актуальность выбранного направления исследования подтверждается также последними созвучными публикациями мировых ученых в области компьютерной графики и параллельных вычислений [5,6 ,7 ,8 ,9 ,1 0].

Значительный вклад в развитие компьютерной графики внесли отечественные и зарубежные учёные: Ю.М. Баяковский, В.А. Галактионов, Б. Фонг, А. Гуро, К. Акели, и др. Большой вклад в развитие отечественной информатики, автоматики и микроэлектроники внесли такие известные отечественные ученые, как академики Е. П. Велихов, С. Н. Васильев, В. Б. Бетелин, Г. Я. Красников, A. JI. Стемпковский.

Исходя из анализа современных бортовых задач визуализации изображений и аппаратных средств для их реализации были сформулированы следующие цели и задачи работы.

Цель диссертационной работы - разработка и анализ комплекса программно-алгоритмических средств высокоскоростной обработки графической информации и управления в БПВ на основе гетерогенных многоядерных систем на кристалле, экспериментальная оценка возможностей универсальных цифровых процессоров по обработке векторных и растровых типов данных, используемых в графическом конвейере БПВ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: разработать алгоритмы управления БПВ на основе гетерогенных многоядерных систем на кристалле; разработать алгоритмы обработки информации в БПВ и модель взаимодействия ядер в гетерогенной многоядерной системе на кристалле с учетом возможного увеличения количества ядер; предложить способ декомпозиции компонентов программного обеспечения между бортовой цифровой вычислительной машиной (БЦВМ) и БПВ с учетом клиент-серверной архитектуры OpenGL; разработать комплексную методику и алгоритм оценки производительности БПВ на основе программируемых многоядерных систем на кристалле; разработать математические модели производительности БПВ и экспериментально проверить соответствие им практических показателей БПВ на тестовых сценах; разработать алгоритмы и рекомендации по программированию прикладного ПО для достижения наилучшей производительности БПВ.

Методы исследования

Для теоретического и практического решения поставленных задач использовались теория множеств, теория информационных систем, теория программирования, теория параллельных вычислительных систем, теория цифровой обработки сигналов, алгоритмы и методы обработки графической информации, теория ошибок.

Научная новизна работы состоит в разработке и анализе программно-алгоритмических средств для высокоскоростной обработки графической информации и в применении их для управления приборами визуализации изображений. Работа посвящена развитию идеи построения приборов визуализации на основе гетерогенных многоядерных систем на кристалле с программируемой архитектурой. При этом получены следующие новые научные результаты.

На основе анализа бортовых задач визуализации определены необходимые требования к аппаратуре БПВ по производительности - 500 MFLOPS, по пропускной способности каналов передачи данных - 400 МБ/с.

Аналитически формализованы критерии эффективного управления обработкой графической информации в гетерогенных многоядерных системах на кристалле в виде минимизации времени простоев вычислительных ядер и минимизации общего времени подготовительных операций заданий обработки.

Впервые разработан алгоритм постадийной конвейеризации для эффективного управления БПВ на основе систем на кристалле с программируемой архитектурой. Достигнутая по результатам экспериментальных исследований и испытаний производительность составила 92% от теоретических возможностей вычислительных ядер.

Разработан параллельный флажковый алгоритм, обеспечивающий эффективное управление обработкой графической информации в многопроцессорных БПВ. С применением алгоритма производительность двухпроцессорного БПВ увеличилась на 92-95%.

Предложен способ функциональной декомпозиции программной архитектуры OpenGL в БПВ с учетом разработанных алгоритмов управления и обработки графической информации.

Разработаны эффективные алгоритмы управления обработкой вызовов OpenGL в многопроцессорных БПВ.

Разработаны алгоритмы прикладного программного обеспечения БЦВМ по эффективной визуализации двух- и трехмерных подстилающих поверхностей.

Разработаны алгоритм и методика комплексной оценки параметров производительности БПВ нового поколения.

Разработан комплексный алгоритм бортовой визуализации, который позволяет интерактивно отображать трехмерную подстилающую поверхность, а также визуализировать двухмерную карту местности в БПВ.

Практическая значимость заключается в том, что на основе разработанных программно-алгоритмических средств обработки графической информации и управления в БПВ: алгоритма постадийной конвейеризации, параллельного флажкового алгоритма обработки графической информации в многопроцессорном БПВ, ч модели взаимодействия программных компонентов OpenGL в БПВ, комплексного алгоритма бортовой визуализации достигнуты следующие результаты: разработано специализированное программное обеспечение на основе языков ассемблера и Си, обеспечивающее эффективное управление БПВ при интерактивной визуализации двух- и трехмерных сцен стандарта OpenGL; результаты экспериментальных исследований и испытаний показали следующую производительность БПВ: 10-12 кадров в секунду при визуализации трехмерной подстилающей поверхности из 1200 текстурированных треугольников и 18 кадров в секунду при отображении двухмерной картографической сцены сложностью 3 тыс. треугольников (10 тыс. вершин), 16 тыс. линий; предложенный комплексный алгоритм бортовой визуализации позволяет отображать двухмерную карту местности площадью 3000 км2 в масштабе 1 : 200 000, а также интерактивно визуализировать трехмерную подстилающую поверхность площадью до 210 км при полете ПЛА на малых высотах на скорости 1,25 М, что дает возможность пилоту различать объекты с габаритными размерами 100 м на расстоянии 12,6 км; разработанные программно-алгоритмические средства позволили создать на базе отечественной универсальной программируемой многоядерной архитектуры компоненты авионики, осуществляющие визуализацию необходимой в бортовых условиях информации с характеристиками производительности и качества изображения, соответствующими современным мировым требованиям; внедрение разработанных программно-алгоритмических средств в серии БПВ МГК на основе отечественных микросхем «Мультикор» пиковой производительностью 480 MFLOPS, предназначенных для современных ПЛА (Су-35, Ми-28Н) показало, что они могут быть применены в широком классе задач визуализации: в морской, сухопутной, космической технике, а также при визуализации информации в системе ГЛОНАСС; созданы программно-аппаратные средства и алгоритм тестирования компонентов БПВ для осуществления автономного контроля на приемо-сдаточных испытаниях БПВ у изготовителя, а также входного контроля у потребителя.

Анализ результатов внедрения показал, что современный уровень развития программируемых гетерогенных многоядерных систем на кристалле соответствует требованиям бортовых задач интерактивной визуализации.

Разработанную на основе результатов исследования серию БПВ отличает программируемый характер вычислений, который обеспечивает широкие возможности по модернизации штатного программного обеспечения, а также высокоуровневый характер взаимодействия (OpenGL) с несущей БЦВМ.

С точки зрения Государственной стратегии импортозамещения микроэлектронных компонентов проведенное исследование является критически важным ввиду использования в нем отечественных высокопроизводительных СБИС типа система на кристалле». Автор проводил исследования в рамках «Стратегии развиt тия электронной промышленности России на период до 2025 года», утвержденной министром промышленности и энергетики РФ в 2007 г., а также «Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ».

Изделия серии МГК включены в «Перечень серийно производимых и перспективных базовых средств вычислительной техники, разработанных на основе отечественной элементной базы, архитектурных, системных, программных и конструктивных решений, принятых в КЦП «Интеграция - СВТ», для межвидового применения» от 01.01.2006 г., утвержденный начальником вооружения Вооруженных Сил Российской Федерации — зам. Министра обороны Российской Федерации.

Достоверность результатов работы обусловлена использованием общепринятых математических методов обработки изображений и векторных данных, методов разработки и верификации программного обеспечения, а также хорошей сходимостью теоретических оценок с результатами экспериментальных исследований и испытаний.

Внедрение результатов работы. С использованием проведенных в диссертации разработок была создана серия БПВ (МГК, МГК-4, МГК-6) на основе разработанной в ГУЛ НПЦ «ЭЛВИС» отечественной платформы проектирования систем на кристалле «Мультикор», что подтверждено актами о внедрении соответствующих изделий на предприятиях ОАО «Раменское Приборостроительное Конструкторское Бюро», ФГУП «НИИ «Субмикрон» г.Москва, ГУП НПЦ «ЭЛВИС» г. Москва. Серия БПВ МГК предназначена для использования в составе бортового оборудования современных ПЛА (вертолеты Ми-28Н, истребители Су-35).

Основные результаты исследования использованы в научно-исследовательской работе (НИР) «Исследование типовых радиотехнических задач, современных системотехнических и схемотехнических решений при создании радиоэлектронных средств новых поколений для модернизации действующих и комплектования перспективных ВВТ и разработка предложений для Министерства обороны по формированию рациональной номенклатуры субмикронных СФ блоков и СБИС типа «система на кристалле» на базе программируемой многоядерной платформы».

Новизна разработанного программного обеспечения зарегистрирована в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ): свидетельство №2007612961 от 9 июля 2007 г. (приложение 5).

В рамках диссертационной работы лично автором были решены следующие задачи.

1. Проведен анализ требуемой вычислительной мощности (500 MFLOPS) и пропускной способности каналов передачи данных (не менее 400 МБ/с) БПВ при визуализации с частотой 25 Гц трехмерной подстилающей поверхности при движении ПЛА на малых высотах со скоростью 1,25 М.

2. Аналитически формализованы критерии эффективного управления обработкой графической информации в гетерогенных многоядерных системах на кристалле.

3. Разработан алгоритм постадийной конвейеризации для эффективного управления БПВ на основе программируемых систем на кристалле.

4. В терминах сетей Петри разработан параллельный флажковый алгоритм, обеспечивающий эффективное управление обработкой графической информации в многопроцессорных БПВ.

5. Предложен способ функциональной декомпозиции программной архитектуры OpenGL в БПВ, учитывающий особенности гетерогенной структуры ядер систем на кристалле.

6. Разработаны эффективные алгоритмы управления обработкой вызовов OpenGL в многопроцессорных БПВ, а также алгоритмы прикладного программного обеспечения БЦВМ по эффективной визуализации двух- и трехмерных подстилающих поверхностей.

7. Определены компоненты и разработано ПО OpenGL с учетом требований к производительности и отказоустойчивости мезонинного БПВ.

8. Разработан комплексный алгоритм бортовой визуализации, позволяющий интерактивно отображать трехмерную подстилающую поверхность, а также визуализировать двухмерную карту местности в БПВ.

9. Разработан алгоритм тестирования компонентов, реализовано ПО технологической контрольно-проверочной аппаратуры БПВ и ПО для диагностики, отладки и поддержки обновлений графической визуализации БПВ.

10. Разработаны алгоритм и методика комплексной оценки параметров производительности БПВ, проведено экспериментальное исследование производительности БПВ по визуализации двух- и трехмерной подстилающей поверхности.

11. Проведено внедрение результатов исследования мезонинных БПВ серии МГК на предприятиях ФГУП «НИИ «Субмикрон» и ОАО «Раменское Приборостроительное Конструкторское Бюро».

12. Автор участвовал в разработке программной, текстовой и конструкторской документации, а также непосредственно проводил инсталляционные и сопроводительные работы в местах эксплуатации созданных изделий.

На защиту выносятся:

- анализ требуемой вычислительной мощности (500 MFLOPS) и пропускной способности внутренних каналов передачи данных (400 МБ/с) в БПВ;

- формализованные автором критерии эффективного управления обработкой графической информации в БПВ на основе гетерогенных многоядерных систем на кристалле;

- алгоритм постадийной конвейеризации для, эффективного управления БПВ на основе систем на кристалле с программируемой архитектурой, позволяющий получить производительность растеризации изображения, равную 92% от теоретических возможностей вычислительных ядер;

- параллельный флажковый алгоритм управления БПВ на основе сетей Петри, при котором достигается повышение производительности обработки графической информации двухпроцессорного БПВ на 92-95%;

- способ функциональной декомпозиции программной архитектуры OpenGL в БПВ, учитывающий гетерогенную структуру ядер системы на кристалле;

- разработанное ПО OpenGL для интерактивной визуализации подстилающей поверхности в БПВ, ПО технологической контрольно-проверочной аппаратуры БПВ;

- алгоритмы управления обработкой вызовов OpenGL в многопроцессорных БПВ, а также алгоритмы прикладного программного обеспечения БЦВМ по эффективной визуализации двух- и трехмерной подстилающей поверхности;

- комплексный алгоритм бортовой визуализации, позволяющий интерактивно отображать трехмерную подстилающую поверхность площадью до 210 км2 при полете ПЛА на малых высотах на скорости 1,25 М, визуализировать двухмерную карту местности площадью 3000 км2 в масштабе 1 : 200 000;

- алгоритм и методика комплексной оценки параметров производительности БПВ, а также результаты экспериментальной оценки производительности созданных БПВ по визуализации двух- и трехмерной подстилающей поверхности;

- внедрение результатов исследования на предприятиях ГУП НПЦ «ЭЛВИС», ФГУП НИИ «Субмикрон» и ОАО «Раменское Приборостроительное Конструкторское Бюро».

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: 14-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2007», Москва, МИЭТ; 17-й Международной конференции по компьютерной графике и компьютерному зрению «Graphi-соп'2007», Москва, МГУ; 6-й Международной конференции «Авиация и космонавтика 2007», Москва, МАИ; V Международной научно-практической конференции «Информационные технологии и кибернетика 2007», Днепропетровск, ИТН НАН; 10-й международной научно-технической конференции «Цифровая обработка сигналов и её применение - DSPA-2008», Москва, ИПУ РАН; Всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике-2008», Москва, МАИ; Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы разработки перспективных микро- и нано-электронных систем - 2008», Истра, ИППМ РАН; XXXIV международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения - 2008», Москва, МАТИ; 15-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2008», Москва, МИЭТ.

Основные результаты докладывались и обсуждались также на совместных технических семинарах ГУП НПЦ «ЭЛВИС» и: Southern Taiwan Science Park Administration (Тайвань), ОАО «Концерн ПВО «Алмаз-Антей».

По теме диссертации опубликовано 19 научных работ. Из них в ведущих рецензируемых журналах, входящих в перечень, утвержденный ВАК - 8, тезисов докладов всероссийских и международных конференций -10,1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ (см. приложение 5). Без соавторов опубликовано 15 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Объем основного текста диссертации - 180 страниц. В работе содержится 76 рисунков и 20 таблиц. Список литературы содержит 109 наименований.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Милов, Алексей Николаевич

Выводы

1. Разработано специализированное ПО на основе языков ассемблера и Си, обеспечивающее интерактивную визуализацию двух- и трехмерных сцен в БПВ, описанных по стандарту OpenGL.

2. Предложен алгоритм и методика комплексной оценки трех составляющих параметров производительности БПВ, которые позволяют последовательно, комплексно оценить параметры производительности БПВ нового поколения.

3. Результаты экспериментальных исследований и испытаний показали следующую производительность БПВ: 10-12 Гц при визуализации трехмерной сцены из 1200 треугольников и 18 Гц при формировании двухмерной карты сложностью 3 тыс. треугольников (10 тыс. вершин), 16 тыс. линий. Практическая производительность стадии растеризации ПО БПВ составила 92% от теоретической оценки (4,9 млн. текстурированных пикселей в секунду).

4. Создан алгоритм работы прикладного ПО БЦВМ по визуализации двух- и трехмерных сцен на основе габаритной координатной рамки, который на стадии компиляции списков вызова осуществляет трансляцию высокоуровневых команд OpenGL в низкоуровневые пакеты.

5. Предложен алгоритм компенсации задержки визуализации в прикладном ПО, использующий предложенную модель производительности БПВ и позволяющий уменьшить задержку визуализации БПВ в 8 раз. Алгоритм повышает точность позиционирования летательного аппарата, используемую при отображении на экране бортовых приборов визуализации нового поколения.

6. Разработан комплексный алгоритм бортовой визуализации, который позволяет интерактивно отображать трехмерную подстилающую поверхность площадью до 210 м2 при полете ПЛА на малых высотах на скорости 1,25 М, а также визуализировать двухмерную карту местности площадью 3000 км2 в масштабе 1 :200 000, что дает возможность пилоту различать объекты с габаритными размерами 100 м на расстоянии 12,6 км.

7. На основе разработанных программно-алгоритмических средств создана серия БПВ (МГК РАЯЖ.687253.005, МГК-4 ЮШКР.4683 69.001, МГК-6 ЮШКР.468369.002) нового поколения, поддерживающих стандарт OpenGL, для модернизации имеющихся (Су-35, Ми-28Н), а также комплектования перспективных комплексов бортового радиоэлектронного оборудования для военного и гражданского назначения.

8. Разработанное с использованием предложенного алгоритма тестирования компонентов БПВ ПО стенда ТКПА ЮШКР.468261.177 позволило осуществить ПСИ БПВ изолированно в климатических камерах, а также в составе несущей БЦВМ.

9. Показано, что разработанные программно-алгоритмические средства могут быть применены в широком классе задач визуализации: в морской, сухопутной, космической технике, при визуализации картографической информации системы ГЛОНАСС.

Заключение

В работе изложен комплекс научно обоснованных разработок, направленных на решение современных задач интерактивной визуализации изображений в бортовых условиях. Разработаны новые программно-алгоритмические средства для управления и высокоскоростной обработки графической информации в БПВ. Совокупность разработанных алгоритмов, методик, предложенной архитектуры ПО, а также принципов и рекомендаций построения БПВ направлена на развитие современных вычислительных систем, а также средств обработки графической информации.

Наиболее значимые результаты работы состоят в следующем: на основе анализа бортовых задач визуализации определены необходимые требования к аппаратуре БПВ по производительности - 500 MFLOPS, по пропускной способности каналов передачи данных - 400 МБ/с; обосновано построение БПВ на' базе гетерогенных многоядерных систем на кристалле, аналитически сформулированы критерии эффективного управления обработкой графической информации в БПВ на основе гетерогенных многоядерных систем на кристалле в виде минимизации времени простоев вычислительных ядер при минимизации общего времени подготовительных операций заданий обработки; впервые разработан алгоритм постадийной конвейеризации для эффективного управления БПВ на основе программируемых систем на кристалле, полученная производительность системы на кристалле составила 92% от теоретических возможностей ядер; разработан параллельный флажковый алгоритм на основе маркированных сетей Петри, обеспечивающий эффективное управление обработкой графической информации в многопроцессорных БПВ, применение которого позволило увеличить производительность двухпроцессорного БПВ на 92-95%; предложен способ функциональной декомпозиции программной архитектуры OpenGL в многопроцессорных БПВ с учетом предложенных алгоритмов управления и обработки графической информации в БПВ; разработаны алгоритмы прикладного программного обеспечения БЦВМ по эффективной визуализации двух- и трехмерной подстилающей поверхности; разработан алгоритм и методика комплексной оценки производительности БПВ нового поколения, достигнутая по результатам экспериментальных исследований и испытаний производительность БПВ составила 18 кадров в секунду при формировании двухмерной сцены из 3 тыс. треугольников и 16 тыс. линий и 1012 кадров в секунду при визуализации сцены из 1200 текстурированных треугольников; разработан комплексный алгоритм бортовой визуализации, позволяющий отображать двухмерную карту местности площадью 3000 км в масштабе 1 : 200 000, а также интерактивно визуализировать трехмерную подстилающую поверхность площадью до 210 км2 при полете ПЛА на малых высотах на скорости 1,25 М, что дает возможность пилоту различать объекты с габаритными размерами 100 м на расстоянии 12,6 км; внедрение разработанных программно-алгоритмических средств в серии БПВ МГК, предназначенных для современных ПЛА (Су-35, Ми-28Н), показало, что они могут быть применены в широком классе задач визуализации: в морской, сухопутной, космической технике, а также при визуализации картографической информации системы ГЛОНАСС.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Милов, Алексей Николаевич, 2009 год

1. Sentiris 4110 CD PMC Datasheet, Quantum 3D, Inc. -4 c.

2. CAAS Common Avionics Architecture System, White Paper, Rockwell Collins Inc. -2006.-16 c.

3. SCADE Diaplay 5.1 Datasheet, Esterel Technologies, 2006. -2 c.

4. Петричкович Я.Я. Электронные системы обеспечения безопасности на основе интегральных интеллектуальных датчиков. Дисс. доктора техн. наук, Москва, 2006.-359 с.

5. Kohout J. Selected Problems of Parallel Computer Graphics. Technical Report No. DCSE/TR-2004-02. University of West Bohemia in Pilsen. 2004

6. Kameyama M., Kato Y., Fujimoto H. и др. 3D Graphics LSI Core for Mobile Phone "Z3D". // In proceedings of Graphics Hardware International Conference, San Diego, USA. 2003.

7. Akenine-Moller Т., Strom J. Graphics for the Masses: A Hardware Rasterization Architecture for Mobile Phones. // ACM Transactions of Graphics (Proceedings of ACM SIGGRAPH), vol. 22, no. 3, pp. 801-808. 2003

8. Nam В., Lee M., Yoo H. Development of a 3-D Graphics Rendering Engine with Lighting Acceleration for Handheld Multimedia Systems. // In proceedings of IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 51, No. 3. 2005

9. Chen J., Gordon M., Thies W., и др. A Reconflgurable Architecture for Load-Balanced Rendering. // In proceedings of Internationa. Conference on Graphics Hardware. 2005

10. Chen J., Ragan-Kelley J. Implementing the Graphics Pipeline on a Heterogeneous Multicore. Massachussets Institute of technology. 2007.

11. Журнал «Аэрокосмический курьер». 5(47). M.: «Созвездие-4». 2006. с. 85,12. http://www.teknol.ru/

12. Cignoni P., Ganovelli F., Gobbetti Е. и др. BDAM Batched Dynamic Adaptive Meshes for High Performance Terrain Visualization. EUROGRAPHICS 2003, Volume 22 (2003), Number 3. - 10 c.

13. Переберин A.B. Многомасштабные методы синтеза и анализа изображений. Дисс. канд. физ.-мат. наук. ИПМ им. Келдыша, Москва, 2002 г. 138 с.

14. Paterson М., Yao F. Efficient binary space partitions for hidden-surface removal and solid modeling. Discrete & Computational Geometry, volume 5, issue 5, 1990.

15. Lindstrom P., Koller D., Ribarsky W. и др. Real-Time, Continuous Level of Detail Rendering of Height Fields, Georgia Institute of Technology.

16. Мил OB A.H. Оптимизированные алгоритмы преобразований Xaapa и их применение в задачах графической обработки данных. Цифровая обработка сигналов №3, 2007. М.:РНТОЭС им. Попова, с. 52-56.

17. Kajiya J. The rendering equation. In Computer Graphics (SIGGRAPH '86 Proceedings), volume 20, pages 143-150, 1986.

18. Woop S. A Programmable Hardware Architecture for Real-time Ray Tracing of Coherent Dynamic Scenes. Ph.D. thesis. Saarland University. 2007.

19. Purcell Т., Buck I., Mark W., P. Hanrahan. Ray Tracing on Programmable Graphics Hardware. Stanford University. 2002.

20. Gritz L. GPU Production Rendering, In Proceedings of SIGGRAPH 2006, Course 3, Chapter 7, c. 7-1 7-29. 2006.

21. Никулин E.A. Компьютерная геометрия и алгоритмы машинной графики. 2003. СПб.:БХВ-Петербург. 550 с.

22. Gouraud Н. Computer Display of Curved Surfaces. PAD dissertation, University of Utah, Salt Lake City, 1971.

23. Phong B.T. Illumination for Computer Generated Pictures. Communications of the ACM, vol. 18, 1975. c. 311-317.

24. Crockett Т., Orloff Т. A parallel rendering algorithm for MIMD architectures. Institute for Computer Applications in Science and Engineering, 1991.

25. Mitra Т., Chiueh T. Three-dimensional computer graphics architecture. Current Science, Vol. 78, No 7. 2000.

26. Samet H. Spatial Data Structures. University of Maryland. 1995. -21 c.

27. Williams L. Pyramidal parametrics. Computer graphics. Volume 17, Number 3. 1983.

28. Floyd R.W., Steinberg L., An adaptive algorithm for spatial grey scale. // Proceedings of the Society of Information Display 17, 75-77 (1976).32. http://www.mesa3d.org/

29. Segal M., Akeley K. The OpenGL Graphics System: A Specification (Version 1.4). Silicon Graphics Inc. 2002.

30. Blythe D., Munshi A., Leech J. OpenGL ES Common/Common-Lite Profile Specification Version 1.1.12 (Full Specification). 2008. Khronos Group, - 179 c.

31. Moore G.E. Cramming more components onto integrated circuits. Electronics journal, Volume 38, Number 8, 1965. 4 c.

32. Hiremane R. Intel From Moore's Law to Intel Innovation - Prediction to Reality. Intel Technology Magazine, 2005, Intel Corporation. -9 c.

33. Borkar S. Extending and Expanding Moore's Law — Challenges and Opportunities. In proceedings 2006 Asia Academic Forum. Kuala Lumpur, Malaysia. 2006. — 44 c.

34. Expanding Moore's Law: The Exponential Opportunity. Intel Corporation. 2002. (ftp://download.intel.com/labs/eml/download/EMLopportunity.pdf)

35. Kolli G. K. 3D Graphics Optimization for ARM architecture. Game Developer Conference, 2002.

36. Yosida K., Sakamoto Т., Hase Т. A 3D Graphics Library for 32-bit Microprocessor for Embedded Systems. IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol.44. Aug. 1998.

37. Штойер P. Многокритериальная оптимизация. Теория, вычисления и приложения: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1992. - 504 с.

38. Woo R., Choi S., Sohn J.-H., Song S.-J. и др. A 210-mW Graphics LSI Implementing Full 3-D Pipeline With 264M texels/s Texturing for Mobile Multimedia Applications. IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol.39. Feb. 2003.

39. Knutsson. N. An FPGA-based 3D Graphics System. Master's thesis completed in Electronics Systems. Sweden, 2005

40. Flynn M. Very high-speed computing system // In proceddings of IEEE. 1966. N 54. P.1901-1909.

41. Flynn M. Some Computer Organisations and Their Effectiveness // In proceddings of IEEE Trans. Computers. 1972. V.21. N 9. P.948-960

42. Ellsworth D.A. Polygon rendering for interactive visualization on multicomputers. Ph.D. thesis. 1996 r.

43. Eldridge M., Igehy H., Hanrahan P. Pomegranate: A Fully Scalable Graphics Architecture. In Proc. of International Conference on Computer Graphics SIGGRAPH 2000. New Orleans, USA 2000.

44. Humphreys G., Buck I., Eldridge M., Hanrahan P. Distributed Rendering for Scalable Displays. // In procceddings of IEEE Visualization 2000. 8 c.

45. Cavin X., Mion C., Filbois A., COTS Cluster-based Sort-last Rendering: Performance Evaluation and Pipelined Implementation. In Proc. of IEEE Visualization 2005, Minneapolis, USA, 2005.

46. Humphreys G., Eldridge M., Buck I. и др. WireGL: A Scalable Graphics System for Clusters. In Proceedings of International Conference on Computer Graphics SIGGRAPH 2001. Los Angeles, USA 2001.

47. Samanta R., Funkhouser Т., Li K., Singh J. P. Hybrid sort-first and sort-last parallel rendering with a cluster of PCs. Proceedings of SIGGRAPH/Eurographics Workshop on Graphics Hardware, pages 97-108, August 2000.

48. Whelan D. Animac: A multiprocessor architecture for real-time computer animation. Ph.D. dissertation, California Institute of Technology, 1985.

49. Whitman S. Multiprocessor Methods for Computer Graphics Rendering, AK Peters, Wellesley, Massachusetts, 1992.

50. Molnar S., Cox M., Ellsworth D., Fuchs H. A Sorting Classification of Parallel Rendering. IEEE Computer Graphics and Applications, pages 23-32, July 1994.

51. Mueller C. Hierarchical graphics databases in sort-first. In: Proceedings of IEEE Symposium on Parallel Rendering, October 1997. p. 49-57

52. Moloney В. и др. Scalable sort-first parallel direct volume rendering with dynamic load balancing. // In proceedings of Eurographics 2007

53. Wes E., Bethela А. и др. Sort-First, Distributed Memory Parallel Visualization and Rendering. // In proceedings of Parallel Visualization and Graphics Workshop 2003. Seattle.

54. Correa W., Klosowski J., Silva C. Out-Of-Core Sort-First Parallel Rendering for Cluster-Based Tiled Displays. // In Proceddings of SIGGRAPH 2002. 2002.

55. Humphreys G. Chromium: A Stream-Processing Framework for Interactive Rendering on Clusters. // In proceedings of SIGGRAPH 2002. San Antonio, United States.

56. Abraham F., Celes W., Cerqueira R., Campos J. L. A Load-Balancing Strategy for Sort-First Distributed Rendering. // In proceddings of SIBGRAPI 2004.

57. Mueller C. The Sort-First Rendering Architecture for High-Performance Graphics. // In Proceedings of Symposium on Interactive 3D graphics, 1995.

58. Lee W.-J., Srini V., Han T.-D. Adaptive and scalable load balancing scheme for sort-last parallel volume rendering on GPU clusters. Yonsei University. 2005. - 4c.

59. Moreland K., Wylie В., Pavlakos C. Sort-Last Parallel Rendering for Viewing Extremely Large Data Sets on Tile Displays. // In proceedings of the IEEE 2001 symposium on parallel and large-data visualization and graphics. San Diego, United States 2001.

60. Лопатников Л.И. Экономико-математический словарь. M.: Дело, 2003. - 520 с.

61. Дубовик А.Е. Методы и алгоритмы диспетчеризации вычислений с динамически изменяющимися приоритетами. Дисс. канд. техн. наук. Москва, 2004. 123 с.

62. Маймоленко С.Н. Разработка и исследование средств организации функционирования распределенных вычислительных систем и сетей. Дисс. канд. техн. наук. Новосибирск, 2004. 140 с.

63. Седельников М.С. Методы и алгоритмы организации функционирования распределенных вычислительных систем в мультипрограммных режимах. Дисс. канд. техн. наук. Новосибирск, 2005. 143 с.

64. Amdahl G.M. Validity of single-processor approach to achieving large-scale computing capability. In: Proceedings of AFIPS Conference, Reston, VA, 1967. p. 483-485.

65. Гергель В.П. Теория и практика параллельных вычислений. М.: БИНОМ. 2007 г. 424 с.

66. Lawlor О. Impostors for Parallel Interactive Computer Graphics. Ph.D thesis, University of Illinois at Urbana-Champaign, 2005.

67. Милов A.H., Качоровский Д.А. Метод априорной оценки производительности графических библиотек стандарта OpenGL для цифровых процессоров обработки сигналов. Информационные технологии №9(133) 2007. М.:Новые технологии. 2007. с. 50-56.

68. Милов А.Н. Оптимизированные алгоритмы преобразований Хаара и их применение в задачах графической обработки данных. Цифровая обработка сигналов №3,2007. М.-.РНТОЭС им. Попова, с. 52-56.

69. Басс Д., Клементе П., Кацман Р. Архитектура программного обеспечения на практике. СПб.: Питер, 2006.

70. Котов В.Е. Сети Петри. М.: Наука, 1984 г.

71. Керниган Б., Д. Ричи. Язык программирования Си. Москва. 1985.

72. Камлех X. Комплексные модели анализа и обеспечения отказоустойчивости бортовых вычислительных систем. Дисс. канд. техн. наук, Москва, 2004.

73. PCI Local Bus Specification. Revision 2.2. PCI Special Interest Group. — 1998. -322 c.

74. Глухих M. И. Разработка методов синтеза информационно-управляющих систем специального назначения со структурным резервированием. Дисс. канд. техн. наук, Санкт-Петербург. 2006 г.81. http://gcc.gnu.org/

75. ANSI X3.230-1994 Fibre Channel Physical and Signaling Interface (FC-PH). American National Standards Institute, Inc., 1994

76. Солохина T.B., Петричкович Я.Я., Шейнин Ю. Технология SpaceWire элементная база и решения. Журнал "Электроника: Наука, Технология, Бизнес", №1/2007. М.: Техносфера. 2007. сс. 38-49.

77. Методические указания 100-84. Системы бортовые цифровые вычислительные. Расчёт показателей контролепригодности. 1984 г. - 23 с.

78. Хетауров Я.А., Малишевский В.В., Потураев О.С. Основы инженерного проектирования УЦВМ. М.:Советское радио. 1972 г. - 366 с.

79. Калверт Ч. Delphi 4. Энциклопедия пользователя: Пер. с англ. К.: Издательство «ДиаСофт», 1998. - 800 с.

80. Страуструп Б. Язык Си++. 5-е издание, 2005 г. М.:БИНОМ. 1098 с.

81. DSP-ядро ELcore-x4. Система инструкций. ГУП НПЦ «ЭЛВИС», Москва. 2006 г.

82. Funkhouser Т., Sequin С. Adaptive Display Algorithm for Interactive Frame Rates During Visualization of Complex Virtual Environments. University of California at Berkely, 2000.

83. Maciel P., Shirley P. Visual Navigation of Large Environments Using Textured Clusters. Cornell University, Indiana University, 2003.

84. Милов A.H. Два подхода к организации масштабируемых графических архитектур стандарта OpenGL на базе ЦПОС. Информационные технологии №1(137) 2008. М.:Новые технологии. 2008. с. 51-56.

85. Милов А.Н. Масштабируемая бортовая графическая система на основе гетерогенных многоядерных систем на кристалле. Вестник компьютерных и информационных технологий № 3, 2008. М.Машиностроение, с. 47-55.

86. Милов А.Н. Теоретико-множественная формализация задачи управления графическим конвейером в гетерогенной многоядерной системе на кристалле // Естественные и технические науки № 1(33). М.: Спутник-Плюс. 2008. с. 286-288.

87. Милов А.Н. Модель функционирования графической системы на основе гетерогенных многоядерных систем на кристалле // Естественные и технические науки № 1(33). М.: Спутник-Плюс. 2008. с. 282-285.

88. Милов А.Н. Концептуальный подход к построению бортовых графических систем с программным графическим конвейером на основе гетерогенных многоядерных систем на кристалле // Естественные и технические науки № 1(33). М.: Спутник-Плюс. 2008. с. 277-281.

89. Милов А.Н. Формализация задачи оптимального управления графическим конвейером обработки данных в гетерогенной многоядерной системе на кристалле. Вестник компьютерных и информационных технологий № 7, 2008. М.-.Машиностроение. С. 47-55.

90. Милов А.Н. Особенности построения архитектуры масштабируемой графической системы стандарта OpenGL на основе ЦПОС. //Труды 17 международной конференции по компьютерной графике и машинному зрению «Графикон-2007», М.: МГУ, 2007 г.

91. Милов А.Н. Масштабируемая бортовая графическая система стандарта OpenGL на основе ЦСП с универсальной системой команд. // 6-я международная конференция «Авиация и космонавтика 2007». Тезисы докладов. М.:МАИ, 2007. с. 43.

92. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2007612961 от 9 июля 2007 г. Правообладатели: ГУП НПЦ «ЭЛВИС», ОАО «РПКБ». Авторы: Петрич-кович Я.Я., Сомиков В.П., Никольский В.Ф., Милов А.Н., Качоровский Д.А.