Parallel 3D Fast Wavelet Transform comparison on CPUs and GPUs

We present in this paper several implementations of the 3D Fast Wavelet Transform (3D-FWT) on multicore CPUs and manycore GPUs. On the GPU side, we focus on CUDA and OpenCL programming to develop methods for an efficient mapping on manycores. On multicore CPUs, OpenMP and Pthreads are used as counterparts to maximize parallelism, and renowned techniques like tiling and blocking are exploited to optimize the use of memory. We evaluate these proposals and make a comparison between a new Fermi Tesla C2050 and an Intel Core 2 QuadQ6700. Speedups of the CUDA version are the best results, improving the execution times on CPU, ranging from 5.3x to 7.4x for different image sizes, and up to 81 times faster when communications are neglected. Meanwhile, OpenCL obtains solid gains which range from 2x factors on small frame sizes to 3x factors on larger ones

Mobile graphics: SIGGRAPH Asia 2017 course

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Real-time Knowledge-based Fuzzy Logic Model for Soft Tissue Deformation

In this research, the improved mass spring model is presented to simulate the human liver deformation. The underlying MSM is redesigned where fuzzy knowledge-based approaches are implemented to determine the stiffness values. Results show that fuzzy approaches are in very good agreement to the benchmark model. The novelty of this research is that for liver deformation in particular, no specific contributions in the literature exist reporting on real-time knowledge-based fuzzy MSM for liver deformation

Towards Real-time Remote Processing of Laparoscopic Video

Laparoscopic surgery is a minimally invasive technique where surgeons insert a small video camera into the patient\u27s body to visualize internal organs and use small tools to perform these procedures. However, the benefit of small incisions has a disadvantage of limited visualization of subsurface tissues. Image-guided surgery (IGS) uses pre-operative and intra-operative images to map subsurface structures and can reduce the limitations of laparoscopic surgery. One particular laparoscopic system is the daVinci-si robotic surgical vision system. The video streams generate approximately 360 megabytes of data per second, demonstrating a trend toward increased data sizes in medicine, primarily due to higher-resolution video cameras and imaging equipment. Real-time processing this large stream of data on a bedside PC, single or dual node setup, may be challenging and a high-performance computing (HPC) environment is not typically available at the point of care. To process this data on remote HPC clusters at the typical 30 frames per second rate (fps), it is required that each 11.9 MB (1080p) video frame be processed by a server and returned within the time this frame is displayed or 1/30th of a second. The ability to acquire, process, and visualize data in real time is essential for the performance of complex tasks as well as minimizing risk to the patient. We have implemented and compared performance of compression, segmentation and registration algorithms on Clemson\u27s Palmetto supercomputer using dual Nvidia graphics processing units (GPUs) per node and compute unified device architecture (CUDA) programming model. We developed three separate applications that run simultaneously: video acquisition, image processing, and video display. The image processing application allows several algorithms to run simultaneously on different cluster nodes and transfer images through message passing interface (MPI). Our segmentation and registration algorithms resulted in an acceleration factor of around 2 and 8 times respectively. To achieve a higher frame rate, we also resized images and reduced the overall processing time. As a result, using high-speed network to access computing clusters with GPUs to implement these algorithms in parallel will improve surgical procedures by providing real-time medical image processing and laparoscopic data

Interactive High Performance Volume Rendering

This thesis is about Direct Volume Rendering on high performance computing systems. As direct rendering methods do not create a lower-dimensional geometric representation, the whole scientific dataset must be kept in memory. Thus, this family of algorithms has a tremendous resource demand. Direct Volume Rendering algorithms in general are well suited to be implemented for dedicated graphics hardware. Nevertheless, high performance computing systems often do not provide resources for hardware accelerated rendering, so that the visualization algorithm must be implemented for the available general-purpose hardware. Ever growing datasets that imply copying large amounts of data from the compute system to the workstation of the scientist, and the need to review intermediate simulation results, make porting Direct Volume Rendering to high performance computing systems highly relevant. The contribution of this thesis is twofold. As part of the first contribution, after devising a software architecture for general implementations of Direct Volume Rendering on highly parallel platforms, parallelization issues and implementation details for various modern architectures are discussed. The contribution results in a highly parallel implementation that tackles several platforms. The second contribution is concerned with the display phase of the “Distributed Volume Rendering Pipeline”. Rendering on a high performance computing system typically implies displaying the rendered result at a remote location. This thesis presents a remote rendering technique that is capable of hiding latency and can thus be used in an interactive environment

3D exemplar-based image inpainting in electron microscopy

In electron microscopy (EM) a common problem is the non-availability of data, which causes artefacts in reconstructions. In this thesis the goal is to generate artificial data where missing in EM by using exemplar-based inpainting (EBI). We implement an accelerated 3D version tailored to applications in EM, which reduces reconstruction times from days to minutes. We develop intelligent sampling strategies to find optimal data as input for reconstruction methods. Further, we investigate approaches to reduce electron dose and acquisition time. Sparse sampling followed by inpainting is the most promising approach. As common evaluation measures may lead to misinterpretation of results in EM and falsify a subsequent analysis, we propose to use application driven metrics and demonstrate this in a segmentation task. A further application of our technique is the artificial generation of projections in tiltbased EM. EBI is used to generate missing projections, such that the full angular range is covered. Subsequent reconstructions are significantly enhanced in terms of resolution, which facilitates further analysis of samples. In conclusion, EBI proves promising when used as an additional data generation step to tackle the non-availability of data in EM, which is evaluated in selected applications. Enhancing adaptive sampling methods and refining EBI, especially considering the mutual influence, promotes higher throughput in EM using less electron dose while not lessening quality.Ein häufig vorkommendes Problem in der Elektronenmikroskopie (EM) ist die Nichtverfügbarkeit von Daten, was zu Artefakten in Rekonstruktionen führt. In dieser Arbeit ist es das Ziel fehlende Daten in der EM künstlich zu erzeugen, was durch Exemplar-basiertes Inpainting (EBI) realisiert wird. Wir implementieren eine auf EM zugeschnittene beschleunigte 3D Version, welche es ermöglicht, Rekonstruktionszeiten von Tagen auf Minuten zu reduzieren. Wir entwickeln intelligente Abtaststrategien, um optimale Datenpunkte für die Rekonstruktion zu erhalten. Ansätze zur Reduzierung von Elektronendosis und Aufnahmezeit werden untersucht. Unterabtastung gefolgt von Inpainting führt zu den besten Resultaten. Evaluationsmaße zur Beurteilung der Rekonstruktionsqualität helfen in der EM oft nicht und können zu falschen Schlüssen führen, weswegen anwendungsbasierte Metriken die bessere Wahl darstellen. Dies demonstrieren wir anhand eines Beispiels. Die künstliche Erzeugung von Projektionen in der neigungsbasierten Elektronentomographie ist eine weitere Anwendung. EBI wird verwendet um fehlende Projektionen zu generieren. Daraus resultierende Rekonstruktionen weisen eine deutlich erhöhte Auflösung auf. EBI ist ein vielversprechender Ansatz, um nicht verfügbare Daten in der EM zu generieren. Dies wird auf Basis verschiedener Anwendungen gezeigt und evaluiert. Adaptive Aufnahmestrategien und EBI können also zu einem höheren Durchsatz in der EM führen, ohne die Bildqualität merklich zu verschlechtern

Interactive web-based visualization

The visualization of large amounts of data, which cannot be easily copied for processing on a user’s local machine, is not yet a fully solved problem. Remote visualization represents one possible solution approach to the problem, and has long been an important research topic. Depending on the device used, modern hardware, such as high-performance GPUs, is sometimes not available. This is another reason for the use of remote visualization. Additionally, due to the growing global networking and collaboration among research groups, collaborative remote visualization solutions are becoming more important. The additional use of collaborative visualization solutions is eventually due to the growing global networking and collaboration among research groups. The attractiveness of web-based remote visualization is greatly increased by the wide availability of web browsers on almost all devices; these are available today on all systems - from desktop computers to smartphones. In order to ensure interactivity, network bandwidth and latency are the biggest challenges that web-based visualization algorithms have to solve. Despite the steady improvements in available bandwidth, these improvements are still significantly slower than, for example, processor performance, resulting in increasing the impact of this bottleneck. For example, visualization of large dynamic data in low-bandwidth environments can be challenging because it requires continuous data transfer. However, bandwidth improvement alone cannot improve the latency because it is also affected by factors such as the distance between server and client and network utilization. To overcome these challenges, a combination of techniques is needed to customize the individual processing steps of the visualization pipeline, from efficient data representation to hardware-accelerated rendering on the client side. This thesis first deals with related work in the field of remote visualization with a particular focus on interactive web-based visualization and then presents techniques for interactive visualization in the browser using modern web standards such as WebGL and HTML5. These techniques enable the visualization of dynamic molecular data sets with more than one million atoms at interactive frame rates using GPU-based ray casting. Due to the limitations which exist in a browser-based environment, the concrete implementation of the GPU-based ray casting had to be customized. Evaluation of the resulting performance shows that GPU-based techniques enable the interactive rendering of large data sets and achieve higher image quality compared to polygon-based techniques. In order to reduce data transfer times and network latency, and improve rendering speed, efficient approaches for data representation and transmission are used. Furthermore, this thesis introduces a GPU-based volume-ray marching technique based on WebGL 2.0, which uses progressive brick-wise data transfer, as well as multiple levels of detail in order to achieve interactive volume rendering of datasets stored on a server. The concepts and results presented in this thesis contribute to the further spread of interactive web-based visualization. The algorithmic and technological advances that have been achieved form a basis for further development of interactive browser-based visualization applications. At the same time, this approach has the potential for enabling future collaborative visualization in the cloud.Die Visualisierung großer Datenmengen, welche nicht ohne Weiteres zur Verarbeitung auf den lokalen Rechner des Anwenders kopiert werden können, ist ein bisher nicht zufriedenstellend gelöstes Problem. Remote-Visualisierung stellt einen möglichen Lösungsansatz dar und ist deshalb seit langem ein relevantes Forschungsthema. Abhängig vom verwendeten Endgerät ist moderne Hardware, wie etwa performante GPUs, teilweise nicht verfügbar. Dies ist ein weiterer Grund für den Einsatz von Remote-Visualisierung. Durch die zunehmende globale Vernetzung und Kollaboration von Forschungsgruppen gewinnt kollaborative Remote-Visualisierung zusätzlich an Bedeutung. Die Attraktivität web-basierter Remote-Visualisierung wird durch die weitreichende Verfügbarkeit von Web-Browsern auf nahezu allen Endgeräten enorm gesteigert; diese sind heutzutage auf allen Systemen - vom Desktop-Computer bis zum Smartphone - vorhanden. Bei der Gewährleistung der Interaktivität sind Bandbreite und Latenz der Netzwerkverbindung die größten Herausforderungen, welche von web-basierten Visualisierungs-Algorithmen gelöst werden müssen. Trotz der stetigen Verbesserungen hinsichtlich der verfügbaren Bandbreite steigt diese signifikant langsamer als beispielsweise die Prozessorleistung, wodurch sich die Auswirkung dieses Flaschenhalses immer weiter verstärkt. So kann beispielsweise die Visualisierung großer dynamischer Daten in Umgebungen mit geringer Bandbreite eine Herausforderung darstellen, da kontinuierlicher Datentransfer benötigt wird. Dennoch kann die alleinige Verbesserung der Bandbreite keine entsprechende Verbesserung der Latenz bewirken, da diese zudem von Faktoren wie der Distanz zwischen Server und Client sowie der Netzwerkauslastung beeinflusst wird. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, wird eine Kombination verschiedener Techniken für die Anpassung der einzelnen Verarbeitungsschritte der Visualisierungspipeline benötigt, angefangen bei effizienter Datenrepräsentation bis hin zu hardware-beschleunigtem Rendering auf der Client-Seite. Diese Doktorarbeit befasst sich zunächst mit verwandten Arbeiten auf dem Gebiet der Remote-Visualisierung mit besonderem Fokus auf interaktiver web-basierter Visualisierung und präsentiert danach Techniken für die interaktive Visualisierung im Browser mit Hilfe moderner Web-Standards wie WebGL und HTML5. Diese Techniken ermöglichen die Visualisierung dynamischer molekularer Datensätze mit mehr als einer Million Atomen bei interaktiven Frameraten durch die Verwendung GPU-basierten Raycastings. Aufgrund der Einschränkungen, welche in einer Browser-basierten Umgebung vorliegen, musste die konkrete Implementierung des GPU-basierten Raycastings angepasst werden. Die Evaluation der daraus resultierenden Performanz zeigt, dass GPU-basierte Techniken das interaktive Rendering von großen Datensätzen ermöglichen und eine im Vergleich zu Polygon-basierten Techniken höhere Bildqualität erreichen. Zur Verringerung der Übertragungszeiten, Reduktion der Latenz und Verbesserung der Darstellungsgeschwindigkeit werden effiziente Ansätze zur Datenrepräsentation und übertragung verwendet. Des Weiteren wird in dieser Doktorarbeit eine GPU-basierte Volumen-Ray-Marching-Technik auf Basis von WebGL 2.0 eingeführt, welche progressive blockweise Datenübertragung verwendet, sowie verschiedene Detailgrade, um ein interaktives Volumenrendering von auf dem Server gespeicherten Datensätzen zu erreichen. Die in dieser Doktorarbeit präsentierten Konzepte und Resultate tragen zur weiteren Verbreitung von interaktiver web-basierter Visualisierung bei. Die erzielten algorithmischen und technologischen Fortschritte bilden eine Grundlage für weiterführende Entwicklungen von interaktiven Visualisierungsanwendungen auf Browser-Basis. Gleichzeitig hat dieser Ansatz das Potential, zukünftig kollaborative Visualisierung in der Cloud zu ermöglichen

Masivně paralelní implementace algoritmů počítačové grafiky

Computer graphics, since its inception in the 1960s, has made great progress. It has become part of everyday life. We can see it all around us, from smartwatches and smartphones, where graphic accelerators are already part of the chips and can render not only interactive menus but also demanding graphic applications, to laptops and personal computers as well as to high-performance visualization servers and supercomputers that can display demanding simulations in real time. In this dissertation we focus on one of the most computationally demanding area of computer graphics and that is the computation of global illumination. One of the most widely used methods for simulating global illumination is the path tracing method. Using this method, we can visualize, for example, scientific or medical data. The path tracing method can be accelerated using multiple graphical accelerators, which we will focus on in this work. We will present a solution for path tracing of massive scenes on multiple GPUs. Our approach analyzes the memory access pattern of the path tracer and defines how the scene data should be distributed across up to 16 GPUs with minimal performance impact. The key concept is that the parts of the scene that have the highest number of memory accesses are replicated across all GPUs. We present two methods for maximizing the performance of path tracing when dealing with partially distributed scene data. Both methods operate at the memory management level, and therefore the path tracing data structures do not need to be redesigned. We implemented this new out-of-core mechanism in the open-source Blender Cycles path tracer, which we also extended with technologies that support running on supercomputers and can take advantage of all accelerators allocated on multiple nodes. In this work, we also introduce a new service that uses our extended version of the Blender Cycles renderer to simplify sending and running jobs directly from Blender.Počítačová grafika od svého vzniku v 60. letech 20. století udělala velký pokrok. Stala se součástí každodenního života. Můžeme ji vidět všude kolem nás, od chytrých hodinek a smartphonů, kde jsou grafické akcelerátory již součástí čipů a dokáží vykreslovat nejen interaktivní menu, ale i náročné grafické aplikace, přes notebooky a osobní počítače až po výkonné vizualizační servery nebo superpočítače, které dokáží zobrazovat náročné simulace v reálném čase. V této disertační práci se zaměříme na jednu z výpočetně nejnáročnějších oblastí počítačové grafiky, a tou je výpočet globálního osvětlení. Jednou z nejpoužívanějších metod pro simulaci globálního osvětlení je metoda sledování cesty. Pomocí této metody můžeme vizualizovat např. vědecká nebo lékařská data. Metodu sledování cest lze urychlit pomocí několika grafických akcelerátorů, na které se v této práci zaměříme. Představíme řešení pro vykreslování masivních scén na více GPU. Náš přístup analyzuje vzory přístupů k paměti a definuje, jak by měla být data scény rozdělena mezi grafickými akcelerátory s minimální ztrátou výkonu. Klíčovým konceptem je, že části scény, které mají nejvyšší počet přístupů do paměti, jsou replikovány na všech grafických akcelerátorech. Představíme dvě metody pro maximalizaci výkonu vykreslování při práci s částečně distribuovanými daty scény. Obě metody pracují na úrovni správy paměti, a proto není třeba datové struktury přepracovávat. Tento nový out-of-core mechanismus jsme implementovali do open-source path traceru Blender Cycles, který jsme také rozšířili o technologie podporující běh na superpočítačích a schopné využít všechny akcelerátory alokované na více uzlech. V této práci také představíme novou službu, která využívá naši rozšířenou verzi Blender Cycles a zjednodušuje odesílání a spouštění úloh přímo z programu Blender.96220 - Laboratoř pro výzkum infrastrukturyvyhově