An efficient GPU-based implementation of recursive linear filters and its application to realistic real-time re-synthesis for interactive virtual worlds

• Ano de defesa: 2009
• Autor(a) principal: Trebien, Fernando
• Orientador(a): Oliveira Neto, Manuel Menezes de
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Palavras-chave em Português: Música eletrônica; Computação musical; Processamento : Sinais
• Palavras-chave em Inglês: Digital filters; Linear filters; Recursive filters; Signal processing; Sound synthesis; Sound effects; GPU; GPGPU; Realtime systems
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/18251

Muitos pesquisadores têm se interessado em explorar o vasto poder computacional das recentes unidades de processamento gráfico (GPUs) em aplicações fora do domínio gráfico. Essa tendência ao desenvolvimento de propósitos gerais com a GPU (GPGPU) foi intensificada com a produção de APIs não-gráficas, tais como a Compute Unified Device Architecture (CUDA), da NVIDIA. Com elas, estudou-se a solução na GPU de muitos problemas de processamento de sinal 2D e 3D envolvendo álgebra linear e equações diferenciais parciais, mas pouca atenção tem sido dada ao processamento de sinais 1D, que também podem exigir recursos computacionais significativos. Já havia sido demonstrado que a GPU pode ser usada para processamento de sinais em tempo-real, mas alguns processos não se adequavam bem à arquitetura da GPU. Neste trabalho, apresento uma nova técnica para implementar um filtro digital linear recursivo usando a GPU. Até onde eu sei, a solução aqui apresentada é a primeira na literatura. Uma comparação entre esta abordagem e uma implementação equivalente baseada na CPU demonstra que, quando usada em um sistema de processamento de áudio em temporeal, esta técnica permite o processamento de duas a quatro vezes mais coeficientes do que era possível anteriormente. A técnica também elimina a necessidade de processar o filtro na CPU - evitando transferências de memória adicionais entre CPU e GPU - quando se deseja usar o filtro junto a outros processos, tais como síntese de som. A recursividade estabelecida pela equação do filtro torna difícil obter uma implementação eficiente em uma arquitetura paralela como a da GPU. Já que cada amostra de saída é computada em paralelo, os valores necessários de amostras de saída anteriores não estão disponíveis no momento do cômputo. Poder-se-ia forçar a GPU a executar o filtro sequencialmente usando sincronização, mas isso seria um uso ineficiente da GPU. Este problema foi resolvido desdobrando-se a equação e "trocando-se" as dependências de amostras próximas à saída atual por outras precedentes, assim exigindo apenas o armazenamento de um certo número de amostras de saída. A equação resultante contém convoluções que então são eficientemente computadas usando a FFT. A implementação da técnica é geral e funciona para qualquer filtro recursivo linear invariante no tempo. Para demonstrar sua relevância, construímos um filtro LPC para sintetizar em tempo-real sons realísticos de colisões de objetos feitos de diferentes materiais, tais como vidro, plástico e madeira. Os sons podem ser parametrizados por material dos objetos, velocidade e ângulo das colisões. Apesar de flexível, esta abordagem usa pouca memória, exigindo apenas alguns coeficientes para representar a resposta ao impulso do filtro para cada material. Isso torna esta abordagem uma alternativa atraente frente às técnicas tradicionais baseadas em CPU que apenas realizam a reprodução de sons gravados.