國產(chǎn)化適配｜一起看看適配國產(chǎn)GPU需要做什么
隨著信息化進(jìn)程的加快，外部環(huán)境漸趨復(fù)雜，各種科技打壓和資源封鎖事件頻發(fā)，在這個(gè)過程中我們認(rèn)識(shí)到了掌握信息技術(shù)自主可控的重要性，也是我國現(xiàn)亟需解決的大事兒，需要逐步減少對(duì)國外產(chǎn)品的依賴，在科技領(lǐng)域“挺直腰桿”。
國家“十四五”規(guī)劃明確，“堅(jiān)持創(chuàng)新在我國現(xiàn)代化建設(shè)全局中的核心地位”“把科技自立自強(qiáng)作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐”。作為科技創(chuàng)新的重要領(lǐng)域，信創(chuàng)的戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)意義愈發(fā)凸顯。
發(fā)展自主可控的國產(chǎn)GIS軟件
為了建立一個(gè)健康安全的國產(chǎn)軟件生態(tài)，不僅要有國產(chǎn)芯片、國產(chǎn)操作系統(tǒng)和國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，還需要大量第三方應(yīng)用和服務(wù)去適配它們。這樣，國產(chǎn)軟件生態(tài)才能“茁壯成長”。
在信創(chuàng)的變革下，GIS的基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境發(fā)生了非常大的變化。實(shí)際使用中，GIS并非簡(jiǎn)單地對(duì)空間信息進(jìn)行分析、處理后呈現(xiàn)給使用者，而是要精確、高效地進(jìn)行空間數(shù)據(jù)綜合分析以及動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。因此，在 FreeXGIS平臺(tái)進(jìn)行國產(chǎn)化環(huán)境部署時(shí)，對(duì)各功能及仿真場(chǎng)景的可用性及性能等方面都提出了相當(dāng)高的要求。
目前，在國產(chǎn)CPU芯片體系架構(gòu)上，主要分為 X86（海光、兆芯）、ARM（海思、飛騰）、mips（龍芯）、alpha（申威）、PowerPC架構(gòu)（中晟宏芯）；在國產(chǎn)GPU中，較為知名的為景嘉微JM72系列、景嘉微JM92系列、芯瞳GenBu01；在國產(chǎn)操作系統(tǒng)上，市場(chǎng)占有率較高的有中標(biāo)麒麟、銀河麒麟等。恒歌科技針對(duì)以上國產(chǎn)軟硬件環(huán)境進(jìn)行了適配，滿足客戶自主可控的應(yīng)用場(chǎng)景需求。
FreeXGIS平臺(tái)國產(chǎn)化部署
恒歌科技在針對(duì)FreeXGIS各端進(jìn)行適配時(shí)，使用Qt 、OSG、OsgEarth等進(jìn)行編譯部署、各種依賴庫源碼編譯，實(shí)現(xiàn)了GIS及可視化應(yīng)用的自主可控。
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方案優(yōu)勢(shì)
Advantages of Solution
平臺(tái)為在國產(chǎn)化軟硬件環(huán)境下實(shí)現(xiàn)GIS及態(tài)勢(shì)顯示、推演與評(píng)估提供穩(wěn)定且可擴(kuò)展的架構(gòu)體系。
全面的國產(chǎn)化適配能力
FreeXGIS平臺(tái)具備極強(qiáng)的國產(chǎn)化適配能力，積極響應(yīng)相關(guān)政策，為軟件、硬件及操作系統(tǒng)的同步國產(chǎn)化做出了支持，覆蓋適配絕大多數(shù)國產(chǎn)CPU、國產(chǎn)GPU和國產(chǎn)操作系統(tǒng)等。
業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的技術(shù)支持
FreeXGIS Desktop采用插件化框架設(shè)計(jì)，底層使用OpenGL圖形接口，通過OSG的二次封裝形成高效的圖形渲染引擎，并結(jié)合專業(yè)的GIS數(shù)據(jù)處理庫以及osgEarth地形構(gòu)建引擎，形成了一套高效的二三維場(chǎng)景渲染框架。
△ FreeXGIS Desktop
FreeXGIS Online則采用輕量級(jí)系統(tǒng)運(yùn)行方式，持續(xù)優(yōu)化底層渲染能力與運(yùn)行效率，綜合提升場(chǎng)景表現(xiàn)力，同時(shí)具有靈活的數(shù)據(jù)接口，方便用戶接入互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，快速拓展相關(guān)業(yè)務(wù)。
△ FreeXGIS Online
FreeXGIS Server采用微服務(wù)的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分布+集群的部署方式，支持中標(biāo)、銀河、鯤鵬等國產(chǎn)化環(huán)境部署，有效提升了服務(wù)的響應(yīng)速度以及用戶并發(fā)量，也保證了系統(tǒng)的擴(kuò)展性、容錯(cuò)性以及開發(fā)效率。同時(shí)支持用戶私有云或局域網(wǎng)的服務(wù)部署，確保用戶的數(shù)據(jù)安全性。
△ FreeXGIS Server
安全穩(wěn)定的私有化部署
恒歌科技深耕于GIS領(lǐng)域十余年，持續(xù)為軍工、航空航天等保密性、安全性要求較高領(lǐng)域的客戶提供服務(wù)，產(chǎn)品穩(wěn)定、可靠，保證系統(tǒng)信息安全。
FreeXGIS平臺(tái)采用私有化部署，可直接部署在用戶本地服務(wù)器上，可源碼授權(quán)，在保證用戶數(shù)據(jù)安全性、系統(tǒng)穩(wěn)定性下，能夠靈活應(yīng)用于多種業(yè)務(wù)場(chǎng)景。
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優(yōu)化方案
Optimization Scheme
在3D圖形處理中，顯卡性能對(duì)模型表現(xiàn)和模型處理而言，至關(guān)重要。顯卡越高端，其三維效果越逼真，圖面切換越流暢。本文針對(duì)國產(chǎn)化GPU在FreeXGIS中的優(yōu)化方向進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，分析方向：地理數(shù)據(jù)渲染優(yōu)化、模型渲染優(yōu)化、幾何圖元渲染優(yōu)化。
地理數(shù)據(jù)渲染優(yōu)化
01 地形數(shù)據(jù)加載流程
三維地形渲染系統(tǒng)使用金字塔的瓦片構(gòu)建機(jī)制，采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，可以根據(jù)當(dāng)前視口顯示的數(shù)據(jù)范圍，進(jìn)行分級(jí)分區(qū)域動(dòng)態(tài)調(diào)度，從而減少內(nèi)存占用，減輕渲染壓力。
02 渲染模式優(yōu)化
在國產(chǎn)化系統(tǒng)中，大地形渲染效率優(yōu)化，除地形數(shù)據(jù)調(diào)度影響效率外，更多時(shí)候渲染采用的模式更為重要。本平臺(tái)通過優(yōu)化渲染模式，使用頂點(diǎn)緩存對(duì)象渲染方式（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在GPU中，可直接繪制圖元，數(shù)據(jù)可修改），減少CPU與GPU的訪問次數(shù)，有效提升渲染效率。
03 減少狀態(tài)切換
在GIS平臺(tái)中，大批量的矢量線、面繪制是比較常見的使用方式，通過分析osgEarth中矢量線、面的繪制效率較低的問題，提出了通過合并矢量繪制數(shù)據(jù)中同類型的狀態(tài)信息，減少狀態(tài)頻繁切換，大幅提升矢量的渲染效率。
大批次模型渲染優(yōu)化
三維場(chǎng)景中，除去大地形的渲染消耗外，其余就是大量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的加載及渲染，比如大批量的比如戰(zhàn)斗機(jī)、艦船、衛(wèi)星、航路線等，帶來如下問題：第一，內(nèi)存隨著場(chǎng)景中的實(shí)體增加呈現(xiàn)線性增長；第二，加重GPU的渲染負(fù)擔(dān)；第三，需要CPU與GPU進(jìn)行多次重復(fù)的交互。
針對(duì)以上問題，我們采用了多實(shí)例渲染技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，該技術(shù)是一種用于大批量重復(fù)物件渲染的GPU技術(shù)，以降低客戶端和顯卡端數(shù)據(jù)傳輸量，即所謂的“一次提交，多次渲染”，是連續(xù)執(zhí)行多條相同渲染命令的方法，并且每個(gè)命令所產(chǎn)生的渲染結(jié)果都會(huì)有輕微的差異，因此，它是一種非常有效的、可使用少量API調(diào)用來渲染大量幾何體的方法。
圖元渲染優(yōu)化
01 優(yōu)化圖元繪制
GPU繪制圖形需要CPU向GPU發(fā)出指令, 同時(shí)需要向GPU提交頂點(diǎn)坐標(biāo)、紋理坐標(biāo)、法線坐標(biāo)等信息，復(fù)雜的仿真都是千萬級(jí)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過頂點(diǎn)緩存對(duì)象和索引緩存對(duì)象能夠使數(shù)據(jù)共享，減少頂點(diǎn)數(shù)目，靜態(tài)目標(biāo)只需要提交一次數(shù)據(jù)，降低了CPU的負(fù)載。
02 動(dòng)畫圖元繪制（如雷達(dá)通信效果）
動(dòng)畫可以分為形變、屬性變化。形變即位置信息或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化；屬性變化即顏色、光照、紋理等信息變化。
在以往的實(shí)現(xiàn)思路中，動(dòng)畫都會(huì)在CPU端通過頂點(diǎn)變化實(shí)現(xiàn)，此時(shí)就需要高頻率的CPU-GPU通信，然而目前在國產(chǎn)CPU和GPU下是無法做到的。于是我們針對(duì)性的做了優(yōu)化，將數(shù)據(jù)處理放在CPU中，將動(dòng)畫效果通過著色器在OpenGL渲染管線中實(shí)現(xiàn)，減少CPU與GPU的通信，提升渲染效率。
03 幾何紋理擾動(dòng)的優(yōu)化
為了模擬顯示中的效果，如淹沒分析，我們針對(duì)波浪采用改變隨機(jī)的紋理坐標(biāo)的方法，在以往的實(shí)現(xiàn)中同樣需要占用CPU與GPU的帶寬，于是我們將紋理坐標(biāo)的計(jì)算放到頂點(diǎn)著色器中進(jìn)行，效率得以提高。
國產(chǎn)化部署案例分享
01 銀河麒麟運(yùn)行GIS平臺(tái)
銀河麒麟v10（國防版）
PC端
飛騰D2000
Qt Creator
FreeXGIS系列
公司FreeXGIS系列產(chǎn)品在銀河麒麟操作系統(tǒng)中良好適配，國產(chǎn)CPU飛騰D2000上流暢穩(wěn)定運(yùn)行。平臺(tái)涵蓋二三維圖層加載、測(cè)量、標(biāo)繪、軍用標(biāo)繪、海洋、星空環(huán)境、氣象、電磁等模塊，支持插件化與模塊化開發(fā)、應(yīng)用。
02 中標(biāo)麒麟運(yùn)行GIS平臺(tái)
中標(biāo)麒麟v5（軍用版）
PC端
龍芯3A4000
Qt Creator
FreeXGIS系列
公司FreeXGIS系列產(chǎn)品在中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)中良好適配，國產(chǎn)CPU龍芯3A4000上流暢穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)涵蓋衛(wèi)星仿真、態(tài)勢(shì)仿真、電磁仿真領(lǐng)域，支持插件化與模塊化開發(fā)、應(yīng)用，用戶體驗(yàn)良好。