K¨ ozvil´ ag´ıt´ asi l´ ampatesteket optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as B´ anhelyi Bal´ azs Bevezet˝ o
K¨ozvil´ag´ıt´asi l´ampatesteket optimaliz´al´o elj´ar´as
Fealdat le´ır´ as Optimaliz´ al´ asi feladat
Az elk´ esz¨ ult alkamaz´ as Az optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as A felhaszn´ al´ oi fel¨ ulet A GPU haszn´ alata
Eredm´ enyek
B´anhelyi Bal´azs, Csendes Tibor, Palatinus Endre ´es L´evai Bal´azs L´aszl´ o
Az optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as eredm´ enyei A CUDA hat´ asa
K¨ osz¨ onetnyilv´ ant´ as
Szegedi Tudom´ anyegyetem
Szeptember 28-30, 2011, Balaton¨ osz¨ od, Hungary
K¨ozmegvil´ag´ıt´asi feladat
K¨ ozvil´ ag´ıt´ asi l´ ampatesteket optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as B´ anhelyi Bal´ azs
I
I
I
Adott egy megvil´ag´ıtand´ o ter¨ ulet, ami lehet ak´ar egy k¨oz´ ut, egy j´arda, de ak´ar egy csarnok is. ´ Altal´aban adottak az elhelyezend˝ o megvil´ag´ıt´ o testek poz´ıci´oi, u ´gy mint pl. a fel¨ ulett˝ ol vett t´avols´aguk ´es az egym´ashoz val´o viszonyuk. Ezek lehetnek ak´ar egysorban, utca k´etoldal´an, de m´atrix-szer˝ uen is. Feladat ezen ter¨ ulet adott szint˝ u ´es egyenletess´eg˝ u megvil´ag´ıt´asa az adott pontokb´ ol azonos l´amp´akkal.
I
Jelen esetben a feladatunk egy LED-eket tartalmaz´o l´ampatestek tervez´ese (LED-ek sz´ama, t´ıpusa ´es ir´anyults´aguk), melyek ezt a c´elt min´el jobban ell´atj´ak.
I
A l´ampatesteknek az egyszer˝ ubb kivitelez´es miatt bizonyos szimmetria tulajdons´agokat tartaniuk kell.
Bevezet˝ o Fealdat le´ır´ as Optimaliz´ al´ asi feladat
Az elk´ esz¨ ult alkamaz´ as Az optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as A felhaszn´ al´ oi fel¨ ulet A GPU haszn´ alata
Eredm´ enyek Az optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as eredm´ enyei A CUDA hat´ asa
K¨ osz¨ onetnyilv´ ant´ as
LED-ek tulajdons´agai
K¨ ozvil´ ag´ıt´ asi l´ ampatesteket optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as B´ anhelyi Bal´ azs
I
I
A LED-es megvil´ag´ıt´as egy ma is elfogadottan energiatakar´ekos megvil´ag´ıt´asi forma, de tov´abbi energiatakar´ekoss´agi lehet˝ os´eg is van benne. Az energiatakar´ekos tulajdons´agai mellett az ´elettartamra vonatkoz´o adatok is b´ıztat´ oak. A megrendel˝o ´altal haszn´alt LED-ek ´altal´aban 1-t˝ol 10 Wattos szintig terjednek, melyekb˝ ol egy utca adott szakasz´anak megvil´ag´ıt´as´ara kb. 20-200 db sz¨ uks´eges.
I
A haszn´alt LED-ek f´enycs´ ov´aj´anak tulajdons´ag´at optikai el˝ot´etekkel j´ol lehet v´altoztatni. Mint p´eld´aul, sz´ort vagy sz´ ur´o f´eny˝ u legyen, de ak´ar egy´eb alakzatok is el´erhet˝oek, pl. ov´alis.
I
A haszn´alt LED-ek tov´abbi j´ o tulajdons´agokkal is rendelkeznek. T¨obbek k¨ oz¨ ott pl. automatikusan tudj´ak jelezni, ha ki´egtek, de ak´ar dimmelhet˝ oek is.
Bevezet˝ o Fealdat le´ır´ as Optimaliz´ al´ asi feladat
Az elk´ esz¨ ult alkamaz´ as Az optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as A felhaszn´ al´ oi fel¨ ulet A GPU haszn´ alata
Eredm´ enyek Az optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as eredm´ enyei A CUDA hat´ asa
K¨ osz¨ onetnyilv´ ant´ as
Optimaliz´al´asi c´elok I
I
Els˝odleges feladat, hogy a fel¨ ulet a megadott megvil´ag´ıt´asi szintn´el ne legyen jobban, illetve kev´esb´e megvil´ag´ıtva. Tov´abb´a a megvil´ag´ıt´as ”egyenletes” legyen, abban az ´ertelemben, hogy az ´atlagos megvil´ag´ıt´asn´al adott szinttel nagyobb ´es kisebb megvil´ag´ıt´asi pontok ne legyenek. Ezen felt´etelek mellett c´elnak az al´abbi r´eszc´elok – felhaszn´al´o ´altal megadott – s´ ulyozott ´atlag´at vett¨ uk: I I I
I
min´el kisebb legyen a fogyaszt´as; min´el kevesebb LED-et haszn´aljunk; min´el sim´abb legyen a megvil´ag´ıt´as (sz´ or´as minimaliz´al´as).
Tov´abb´a nem minden esetben ig´eny teljesen u ´j l´ampatest tervez´ese, hanem a m´ar megl´ev˝ o l´ampatest ”´atalak´ıt´asa”. Azaz pl. csak a LED-ek kicser´el´es´evel m´as k¨or¨ ulm´enyek k¨oz¨ ott is optim´alis legyen.
K¨ ozvil´ ag´ıt´ asi l´ ampatesteket optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as B´ anhelyi Bal´ azs Bevezet˝ o Fealdat le´ır´ as Optimaliz´ al´ asi feladat
Az elk´ esz¨ ult alkamaz´ as Az optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as A felhaszn´ al´ oi fel¨ ulet A GPU haszn´ alata
Eredm´ enyek Az optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as eredm´ enyei A CUDA hat´ asa
K¨ osz¨ onetnyilv´ ant´ as
K´etszint˝u optimaliz´al´asi elj´ar´as
K¨ ozvil´ ag´ıt´ asi l´ ampatesteket optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as B´ anhelyi Bal´ azs
I
I
I
A LED-ek ir´anyults´ag´an k´ıv¨ ul nek¨ unk kell meghat´arozni a LED-ek sz´am´at ´es t´ıpus´at. Els˝o l´ep´esben k¨ozel´ıt˝ o ir´anyults´agokkal megpr´ ob´altuk meghat´arozni a sz¨ uks´eges LED-ek sz´am´at ´es t´ıpus´at, melyre egy genetikus algoritmust alkalmaztunk. Ebben a technik´aban a ”csak cser´elhet˝ o helyek” k¨onnyed´en kezelhet˝oek voltak egy megfelel˝ o mut´aci´os elj´ar´as megval´os´ıt´as´aval.
I
M´asodik l´ep´esben meghat´aroztuk a LED-ek pontos ir´anyults´ag´at, melyre egy egyszer˝ u szimul´alt h˝ ut´eses elj´ar´as is elegend˝o volt.
I
Ez az elj´ar´as egy ´atlagos feladattal kb. 3-6 ´ or´an bel¨ ul ad megfelel˝o eredm´enyt.
Bevezet˝ o Fealdat le´ır´ as Optimaliz´ al´ asi feladat
Az elk´ esz¨ ult alkamaz´ as Az optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as A felhaszn´ al´ oi fel¨ ulet A GPU haszn´ alata
Eredm´ enyek Az optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as eredm´ enyei A CUDA hat´ asa
K¨ osz¨ onetnyilv´ ant´ as
Felhaszn´al´oi fel¨ulet
K¨ ozvil´ ag´ıt´ asi l´ ampatesteket optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as B´ anhelyi Bal´ azs Bevezet˝ o Fealdat le´ır´ as Optimaliz´ al´ asi feladat
Az elk´ esz¨ ult alkamaz´ as Az optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as A felhaszn´ al´ oi fel¨ ulet A GPU haszn´ alata
Eredm´ enyek Az optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as eredm´ enyei A CUDA hat´ asa
K¨ osz¨ onetnyilv´ ant´ as
Var´azsl´oval seg´ıtett feladatgener´al´o
K¨ ozvil´ ag´ıt´ asi l´ ampatesteket optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as B´ anhelyi Bal´ azs Bevezet˝ o Fealdat le´ır´ as Optimaliz´ al´ asi feladat
Az elk´ esz¨ ult alkamaz´ as Az optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as A felhaszn´ al´ oi fel¨ ulet A GPU haszn´ alata
Eredm´ enyek
(a) Wizard 2. lapja
(b) Wizard 3. lapja
Az optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as eredm´ enyei A CUDA hat´ asa
K¨ osz¨ onetnyilv´ ant´ as
(c) Wizard 6. lapja
(d) Wizard 7. lapja
A program gyors´ıt´asa hardveres eszk¨ozzel I
I
I
I
A megvil´ag´ıt´asi k´epet nagyon sokszor ki kell sz´amolni, amely a sz´am´ıt´asok nagyr´esz´et k´epezi (t¨ obb mint 80%). Minden egyes megvil´ag´ıt´asi k´ep eset´en sok azonosan sz´am´ıtand´o pont megvil´ag´ıt´asi nagys´ag´at kell kisz´amolni, melyek algoritmusa teljesen hasonl´ o. Ezek algoritmusa egyszer˝ u, nagyr´eszt csak trigonometriai sz´am´ıt´asokat tartalmaz. A grafikus k´arty´aban tal´alhat´ o processzort pont ilyen t´ıpus´ u sz´am´ıt´asokra optimaliz´alt´ak. Mi az NVidia-CUDA technol´ ogi´at v´alasztottuk gyors´ıt´as c´elj´ab´ol. Megval´os´ıt´asunkban a megvil´ag´ıtand´ o fel¨ ulet pontjait ´ osztottuk sz´et a GPU sz´alak k¨ oz¨ ott. Igy minden egyes sz´al egyetlen pontba sz´amolta ki az ¨ osszes LED-b˝ol oda es˝o f´enyer˝ok nagys´ag´at, melyek teljesen f¨ uggetlenek egym´ast´ol.
K¨ ozvil´ ag´ıt´ asi l´ ampatesteket optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as B´ anhelyi Bal´ azs Bevezet˝ o Fealdat le´ır´ as Optimaliz´ al´ asi feladat
Az elk´ esz¨ ult alkamaz´ as Az optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as A felhaszn´ al´ oi fel¨ ulet A GPU haszn´ alata
Eredm´ enyek Az optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as eredm´ enyei A CUDA hat´ asa
K¨ osz¨ onetnyilv´ ant´ as
Optimaliz´al´o eredm´enye
K¨ ozvil´ ag´ıt´ asi l´ ampatesteket optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as B´ anhelyi Bal´ azs Bevezet˝ o Fealdat le´ır´ as Optimaliz´ al´ asi feladat
Az elk´ esz¨ ult alkamaz´ as Az optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as A felhaszn´ al´ oi fel¨ ulet A GPU haszn´ alata
Eredm´ enyek Az optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as eredm´ enyei A CUDA hat´ asa
K¨ osz¨ onetnyilv´ ant´ as
I
Megvil´ag´ıtand´o volt egy 35 × 10 m´eteres utcaszakasz, minimum 6 luxszal.
I
H´aromf´ele LED volt haszn´alhat´ o, melyek mindegyike 1 Wattos. ¨ Osszesen 26 + 28 + 18 LED-et haszn´altunk.
I
CUDA-s fut´asi eredm´enyek
K¨ ozvil´ ag´ıt´ asi l´ ampatesteket optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as B´ anhelyi Bal´ azs Bevezet˝ o Fealdat le´ır´ as Optimaliz´ al´ asi feladat
Az elk´ esz¨ ult alkamaz´ as Az optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as A felhaszn´ al´ oi fel¨ ulet A GPU haszn´ alata
Eredm´ enyek Az optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as eredm´ enyei A CUDA hat´ asa
K¨ osz¨ onetnyilv´ ant´ as
I
Fut´asi id˝ok line´aris k¨ ozel´ıt´ese: I I
I
CPU id˝ o = 0,02094*X + 127 GPU id˝ o = 0,00158*X + 134
Azaz egy kb. 3 ´or´as fut´as´ u ´atlagos feladaton az optimaliz´al´asi elj´ar´as egy n´egymagos CPU-n becsl´eseink szerint kb. 50-60 perc alatt, m´ıg GPU-n kb. 20-30 perc alatt futna le.
K¨osz¨onetnyilv´ant´as A K-2010-GOP-1.1.1-09/1.-0240762/129 sz´am´ u p´aly´azat keretein bel¨ ul, a Wemont Kft. megb´ız´as´ab´ ol v´egezt¨ uk ezen intelligens LED-es k¨ozvil´ag´ıt´asi l´ampa fejleszt´es´et.
K¨ ozvil´ ag´ıt´ asi l´ ampatesteket optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as B´ anhelyi Bal´ azs Bevezet˝ o Fealdat le´ır´ as Optimaliz´ al´ asi feladat
Az elk´ esz¨ ult alkamaz´ as Az optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as A felhaszn´ al´ oi fel¨ ulet A GPU haszn´ alata
Eredm´ enyek Az optimaliz´ al´ o elj´ ar´ as eredm´ enyei A CUDA hat´ asa
K¨ osz¨ onetnyilv´ ant´ as
