中科君達(dá)視界突破DIC效率瓶頸：GPU并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)數(shù)十倍加速

   一、技術(shù)背景

   數(shù)字圖像相關(guān)法（Digital Image Correlation, DIC）是材料科學(xué)、航空航天、土木工程等領(lǐng)域研究材料力學(xué)性能、分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)變的關(guān)鍵技術(shù)。全局DIC測(cè)量因其能提供全場(chǎng)連續(xù)變形信息的優(yōu)勢(shì)，適用于大位移、復(fù)雜應(yīng)變以及裂紋擴(kuò)展等場(chǎng)景。然而，全局DIC計(jì)算復(fù)雜度高，CPU的單核計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)，存在效率瓶頸。

   二、方法原理

   全局DIC技術(shù)，圖像被劃分為多個(gè)子區(qū)，每個(gè)子區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)有限元節(jié)點(diǎn)。這些子區(qū)的數(shù)量可能達(dá)到數(shù)十萬(wàn)甚至更多，GPU的并行計(jì)算能力使得所有子區(qū)的計(jì)算可以同時(shí)進(jìn)行，從而極大地縮短了處理時(shí)間。具體加速步驟如下：1）數(shù)據(jù)預(yù)處理，將圖像數(shù)據(jù)和子區(qū)網(wǎng)格位置信息輸入GPU。2）并行計(jì)算，GPU核心同時(shí)處理每個(gè)子區(qū)的有限元節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。3）結(jié)果輸出，將計(jì)算結(jié)果返回主機(jī)，生成全場(chǎng)位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)。

   三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

   為驗(yàn)證GPU加速全局DIC測(cè)量實(shí)際效果，千眼狼工程師設(shè)計(jì)了四組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)基于4070 GPU 與13790F CPU對(duì)比，涵蓋四大典型場(chǎng)景：

   場(chǎng)景1 仿真-大圖拉伸

   數(shù)據(jù)規(guī)模：步長(zhǎng)5計(jì)算點(diǎn)數(shù)489982，步長(zhǎng)10計(jì)算點(diǎn)數(shù)122700，步長(zhǎng)15計(jì)算點(diǎn)數(shù)54600。

   計(jì)算結(jié)果：CPU無(wú)法完成步長(zhǎng)5和步長(zhǎng)10的計(jì)算，GPU在步長(zhǎng)15的情況下加速比擴(kuò)大101倍。

   場(chǎng)景2 帶孔洞拉伸

   數(shù)據(jù)規(guī)模：步長(zhǎng)5計(jì)算點(diǎn)數(shù)36430，步長(zhǎng)10計(jì)算點(diǎn)數(shù)9211，步長(zhǎng)15計(jì)算點(diǎn)數(shù)4124。

   計(jì)算結(jié)果：GPU加速比分別為44.6倍、35倍和30倍，顯著提升計(jì)算效率。

   場(chǎng)景3 材料拉伸

   數(shù)據(jù)規(guī)模：步長(zhǎng)5計(jì)算點(diǎn)數(shù)8055，步長(zhǎng)10計(jì)算點(diǎn)數(shù)2070，步長(zhǎng)15計(jì)算點(diǎn)數(shù)900。

   計(jì)算結(jié)果：GPU加速比分別為22.2倍、12.8倍和12倍，計(jì)算時(shí)間大幅縮短。

   場(chǎng)景4 擠壓圓盤

   數(shù)據(jù)規(guī)模：步長(zhǎng)5計(jì)算點(diǎn)數(shù)12403，步長(zhǎng)10計(jì)算點(diǎn)數(shù)3102，步長(zhǎng)15計(jì)算點(diǎn)數(shù)1371。

   計(jì)算結(jié)果：GPU加速比分別為47倍、63.9倍和76.5倍，展現(xiàn)了卓越的加速性能。

   四、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

   通過(guò)四組實(shí)驗(yàn)對(duì)比，相較于傳統(tǒng)CPU，GPU加速方法在精度、效率、適用性上有較大提升。

   1）精度：應(yīng)變?cè)茍D對(duì)比顯示，GPU加速后的結(jié)果與CPU計(jì)算結(jié)果一致。

   2）效率：GPU加速全局DIC測(cè)量速度比CPU快10~70倍，顯著縮短了處理時(shí)間。

   3）適用性：無(wú)論是仿真數(shù)據(jù)和實(shí)拍數(shù)據(jù)，GPU加速均能高效完成。