Experimentieren Sie zur Verbesserung der GPU-Effizienz der 3D3C-Piv-Durchflussfeld berechnung

1. Experimentelle Hintergrund

3D3C-PIV oder tomo graphisches PIV ist ein gängiges PIV-Messsystem, das die sofortige Messung aller drei Geschwindigkeit komponenten in einem drei dimensionalen Volumen unterstützt. Der Berechnungs prozess des drei dimensionalen Geschwindigkeit feldes kann in drei Schritte unterteilt werden: Volumen kalibrierung, Voxel raum rekonstruktion und drei dimensionale Kreuz korrelation berechnung (wie in Abbildung 1 dargestellt).

Abbildung 1 3 D3C PIV Berechnungs schritte

Wenn in der Durchfluss feld berechnung zu viele gültige Voxel oder Berechnungs fenster vorhanden sind, wie z. B. die Berechnung des Rühr strömungs feldes und des Jet-Flow-Feldes, dauert die herkömmliche CPU-Single-Thread-Berechnung lange. oder das Berechnungs ergebnis kann aufgrund unzureichenden Speicher platzes nicht berechnet werden.

GPU, dh durch CUDA-Programmierung, kann Tausende von Threads gleichzeitig ausführen, die parallele Berechnung von Bildern in großem Maßstab unterstützen und die Effizienz der PIV-Flow-Feld berechnung erheblich verbessern.

2. Zweck des Experiments

Überprüfen Sie quantitativ die GPU-Beschleunigung leistung unter gemeinsamen Fluss feldern mit unterschied lichen Partikel zahlen.

3. Experimentelle Umgebung

Tabelle 1 Experimentelle Testumgebung

4. Experimentelles Design

4.1 Entwerfen Sie die Strömungs feld bedingungen der vier Experimente wie folgt (siehe beigefügte Abbildung für die Originalbilder):

Tabelle 2 Experimentelle Bedingungen Design-Tabelle

In den Abbildungen 2 bis 5 sind vier PIV-Hoch geschwindigkeit kameras von Revealer dargestellt:

Abbildung 2 Experimentelles Strömungs feld 1-Originalbild des simulierten flachen Strömungs feldes

Abbildung 3 Experimentelles Strömungs feld 2-Originalbild des gerührten Wasserstrom feldes (wenige Partikel)

Abbildung 4 Experimentelles Strömungs feld 3-Originalbild des gerührten Wasserstrom feldes (mehrere Partikel)

Abbildung 5 Experimentelles Strömungs feld 4-Originalbild des Jet-Flow-Feldes

4.2 Die 3D3C-PIV-Berechnungs schritte sind in zwei Stufen unterteilt, und die GPU-Beschleunigung leistung wird schrittweise quantitativ untersucht.

• Basierend auf der Berechnungs stufe zur Rekonstruktion des Voxel raums wird die Berechnungs zeit von GPU und CPU horizontal verglichen.

• In der drei dimensionalen Kreuz korrelation berechnungs stufe wird ein horizontaler quantitativer Vergleich der GPU-und CPU-Berechnungs zeit durchgeführt.

5. Experimentelle Daten

5.1 Experiment 1-Simulation des Advektion feldes

5.1.1 Horizontaler Vergleich der CPU-Voxel-Raum rekonstruktion und der GPU-Voxel-Rekonstruktion berechnungs ergebnisse. Abbildung 6 oben ist CPU, und Abbildung 6 unten ist GPU

Abbildung 6 Berechnungs ergebnisse für die CPU-Voxel-Raum rekonstruktion

Abbildung 6 Ergebnisse der Berechnung der GPU-Voxel-Raum rekonstruktion

Timing-Ergebnisse: Die CPU dauerte 15,8 Sekunden, die GPU dauerte nur 1,2 Sekunden und die Bewertung des Rück projektions fehlers betrug 1.

5.1.2 Horizontales Verhältnis von CPU-und GPU 3D-Quer korrelation berechnungs ergebnissen. Abbildung 7 oben ist CPU, und Abbildung 7 unten ist GPU

Abbildung 7 CPU 3D Quer korrelation berechnungs ergebnisse

Abbildung 7 Ergebnisse der GPU 3D-Querkorrelation-Berechnung

Timing-Ergebnisse: Die CPU dauerte 2,9 Sekunden, während die GPU nur 0,8 Sekunden dauerte.

5.2 Experiment 2-Rührtes Wasserstrom feld (wenige Partikel)

5.2.1 CPU Voxel Raum Rekonstruktion und GPU Voxel Raum Rekonstruktion Berechnung Ergebnisse horizontales Verhältnis, Abbildung 8 oben ist CPU, Abbildung 8 unten ist GPU

Video

Abbildung 8 Berechnungs ergebnisse für die CPU-Rekonstruktion

Video

Abbildung 8 Ergebnisse der GPU-Rekonstruktion berechnung

Timing-Ergebnisse: Die CPU dauerte 3,2 s und der Reprojektion fehler betrug 0,9849; Die GPU dauerte nur 0,9 s und der Reprojektion fehler betrug 0,9749.

5.2.2 Horizontales Verhältnis von CPU-und GPU 3D-Quer korrelation berechnungs ergebnissen. Abbildung 9 oben ist CPU und Abbildung 9 unten ist GPU

Abbildung 9 Ergebnisse der CPU-Kreuz korrelation berechnung

Abbildung 9 Ergebnisse der GPU-Kreuz korrelation berechnung

Timing-Ergebnisse: Die CPU dauerte 2,1 s, die GPU nur 0,8 s.

5.3 Experiment 3-Rührtes Wasserstrom feld (mehrere Partikel)

5.3.1 Horizontaler Vergleich der CPU-Voxel-Raum rekonstruktion und der GPU-Voxel-Rekonstruktion berechnungs ergebnisse. Abbildung 10 oben ist CPU, und Abbildung 10 unten ist GPU

Abbildung 10 Berechnungs ergebnisse für die CPU-Rekonstruktion

Abbildung 10 Ergebnisse der GPU-Rekonstruktion berechnung

Timing-Ergebnisse: Die CPU dauerte 35,6 s und der Reprojektion fehler war 0,9762; GPU dauerte nur 8,0 s und der Reprojektion fehler war 0,9723.

5.3.2 Horizontaler Vergleich der drei dimensionalen Ergebnisse der Berechnung der Kreuz korrelation von CPU und GPU. Abbildung 11 (oben) zeigt die CPU und Abbildung 11 (unten) zeigt die GPU.

Abbildung 11 Ergebnisse der CPU-Kreuz korrelation berechnung

Abbildung 11 Ergebnisse der GPU-Kreuz korrelation berechnung

Timing-Ergebnisse: Die CPU dauerte 76,0 s; GPU dauerte nur 11,4 s.

5.4 Experiment 4-Jet-Flow-Feld

5.4.1 Beim Vergleich der Berechnungs ergebnisse der CPU-Voxel-Raum rekonstruktion und der GPU-Voxel-Raum rekonstruktion kann die CPU nicht berechnet werden, die GPU benötigt etwa 20,0 s und der Reprojektion fehler wird als 0,9946 bewertet.

5.4.2 Die Ergebnisse der CPU-und GPU 3D-Kreuz korrelation berechnung werden horizontal verglichen. Die CPU kann immer noch nicht berechnet werden, und die GPU-Berechnung dauert etwa 40 Sekunden. Abbildung 12 zeigt die GPU.

Abbildung 12 Ergebnisse der GPU-Kreuz korrelation berechnung

5.5 Experimentelle Schluss folgerung

Nachdem die Berechnungs zeit der beiden Stufen kombiniert wurde, ist das horizontale Vergleichs ergebnis in Abbildung 13 dargestellt. Die Partikel sind relativ dicht und die GPU hat einen größeren Vorteil bei der Beschleunigung. In Experiment 4 kann die CPU nicht mehr berechnen, wenn die Partikel sehr dicht sind, aber die GPU kann die Voxel-Rekonstruktion 3D-Kreuz korrelationsoperation noch abschließen.

Abbildung 13 Vergleich des Zeit verbrauchs der Rekonstruktion kreuz korrelation berechnung in vier Versuchs gruppen

Die PIV-Durchfluss feld mess software von Revealer mit integrierter GPU-Beschleunigung stech no logie kann eine große Menge an Bilddaten gleichzeitig verarbeiten, um die Nutzung von Speicher und Cache zu maximieren. und eignet sich zur Berechnung komplexer Strömungs felder im drei dimensionalen Raum.

Angebracht ist die selbst entwickelte PIV-Flow-Feldmess-Software und-Hardware von Revealer

• Selbst entwickelte PIV-Mess software, geeignet für 2 D2C, 2 D3C, 3 D3C, PTV, Blasen messung und andere Anwendungs szenarien

• Autonome und kontroll ierbare PIV-Hoch geschwindigkeit kamera, ultra klare PIV-Kamera