2012 Fiscal Year Research-status Report
リアルタイム３次元動画像再生用マルチＧＰＵクラスタ電子ホログラフィシステムの開発
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24500071
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Kochi University |
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Principal Investigator |
高田 直樹 高知大学, 教育研究部自然科学系, 准教授 (50290713)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 電子ホログラフィ / 高性能計算 / Graphics Processing Unit / GPGPU / 計算機システム / 分散並列計算 / 計算機合成ホログラム / リアルタイム処理 |
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| Research Abstract |
コンピュータで計算されたホログラム（CGH）による3次元動画像再生技術（電子ホログラフィ）は「究極の立体テレビ」になると考えられている．計算量が膨大であり未だ実用化に至っていない．本研究では，コストと簡便性を考慮し，マルチGPUクラスタと光学系装置を一体化したシステムを開発する．約1万点もあれば複雑な3次元物体を物体点で表現することができる．そこで，本研究では約1万点の３次元物体のCGH計算を含むリアルタイム動画像再生の実現を目的とする．
本研究では最新のKeplerアーキテクチャのGPU（Geforce GTX 680）を使用した．Geforce GTX 480に比べ約2倍の高速化がなされた．最新のGPUを4枚搭載したマルチGPU環境のPC１台でCGHの並列計算を行なった結果，約4千点の物体点のCGH計算で37msであった．あと2倍高速化がなされれば，１台のマルチGPU環境のPCで約1万点の物体のリアルタイム動画像再生が可能となる．そこで，残像効果を使用した単色時分割電子ホログラフィを試みた．3次元物体を2分割して交互に計算する方法は，分割しない場合と相違ないことが確認された．3分割まで使用可能であることがわかった．本手法をマルチGPU環境のPCに実装すれば1万点の物体のCGH計算を含むリアルタイム動画像再生が可能である．さらに，1枚の最新のGPUを用いて時分割リアルタイムマルチカラー電子ホログラフィも試みた．ハイパワーのマルチカラーLEDをUSB-パラレルモジュールを使用して赤，青，緑の色の制御をホストのPCで行う．LEDの色とCGH計算の同期はホストPCの１つのプログラムで実行することができるため開発も容易である．
これらの手法も取り入れてマルチGPUクラスタへの実装を進めており，約1万点以上の物体のリアルタイム動画像再生の実現を目指している．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究の計画を立てている時点では，その当時の最新GPUの計算性能を考慮し，また，約1万点もあれば複雑な3次元物体を物体点で表現することができることから，約1万点の３次元物体のCGH計算を含むリアルタイム動画像再生の実現を目的としていた．
これまでに構築したマルチGPUクラスタをベースとして，GPUだけ最新のKeplerアーキテクチャのGPU（Geforce GTX 680）を搭載することにより，予算内で劇的に計算性能を向上させることに成功した．CGH計算性能を評価したところ，以前使用していたGPU（Geforce GTX 480）に対し，1枚のGPUに対して約2倍計算高速化していることが確認された．当初は，1台に4枚のGPUを搭載したマルチGPU環境のPCを4台使用してクラスタ構成することにより，約1万点の3次元物体のCGH計算を含むリアルタイム動画像再生の実現を目的としていた．しかし，Geforce GTX 680を4枚搭載したマルチGPU環境のPC1台でCGHの並列計算を行なった結果，約4千点の物体点のCGH計算で37msであり，当初予定していた性能に迫る結果を１台のPCで実現することができた．また，新しい手法も試みており，約1万点以上の物体のリアルタイム動画像再生が実現できる可能性がでてきた．これらは，研究計画で目標としていた計算性能をはるかに上回る可能性がでてきたことから，計画以上に進展していることがわかる．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究で使用する「マルチGPUクラスタ電子ホログラフィシステム」は「マルチGPUクラスタ」と「電子ホログラフィ用光学系装置」の２つからなる．これまで使用していたマルチGPUクラスタの各部品の性能を踏まえ再検討し，GPUボードのみを最新のGPUに変更することにより低コストで高性能の計算システムを実現できることがわかった．これにより「マルチGPUクラスタ」の改良を行なった．「電子ホログラフィ用光学系装置」としては振幅ホログラムの再生装置と，位相ホログラムの再生装置と２つ構築することができた．用途に合わせ「マルチGPUクラスタ」と2
つの「電子ホログラフィ用光学系装置」の接続を切り替えることができるシステムとなっている．
平成24年度では「マルチGPUクラスタ電子ホログラフィシステム」の構築と，主に振幅ホログラムの計算においてプログラム開発を行なった．また，マルチGPU環境のPC１台の最適化に重点を置き，２つの新しい計算手法も試みた．
今後は，この新しい方法をマルチGPUクラスタへ実装し，従来よりも更なる計算高速化を試みる．また，位相ホログラムは，0次の再生像のみ表示されるため再生像が見やすくなるといった利点がある．振幅ホログラムに比べ計算量が2倍に増える．平成24年度に試した新しい方法を，位相ホログラムへ適用することを試みる．
また，マルチGPUクラスタ電子ホログラフィシステムの性能評価結果をもとに，最適化の検討を行う．通信と計算の並列化など高速化の検討をさらに進め，負荷分散についても検討する．
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
該当なし
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