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今天继续康奈尔大学FPGA 课程ECE 5760的典型案例分享——基于FPGA加速的bird-oid object算法实现。 #xff08;更多其他案例请参考网站#xff1a;
Final Projects ECE 5760#xff09; 1. 项目概述
项目网址
ECE 5760 Final Project
模型说明
Bird-oid object …导语
今天继续康奈尔大学FPGA 课程ECE 5760的典型案例分享——基于FPGA加速的bird-oid object算法实现。 更多其他案例请参考网站
Final Projects ECE 5760 1. 项目概述
项目网址
ECE 5760 Final Project
模型说明
Bird-oid object 简称Boids模型是美国的一个图形计算机科学家Craig Reynolds在 1986 年开发出来的。 他的Boids模型为集群个体抽象出三个基本行为分离seperation、对齐alignment、与聚集cohesion。将这三种行为按一定权重进行混合可以让群体出现秩序化的社会性行为。这个模型自从提出到现在一直持续影响着社会学、生物学、计算机科学等学科的发展。基于这个模型的应用其实很多 比如现在的集群无人地面车辆集群无人机灯光秀等等。 项目说明
本项目使用DE1 SoC的ARM A9处理器和FPGA逻辑的组合不仅成功地模拟了动态boid (bird-oid object)群集模式而且还优化了周期要求和执行时间。 本项目首先创建了一个完全运行在ARM A9处理器上的“基线”设计。这个基线设计是使用C代码创建的能够以每秒60帧的速度计算最多3,000个对象的群集模式。 我们的第二个对比设计是在FPGA上创建一个更新功能可以计算和更新每个物体在x和y坐标上的位置以及它们在x和y方向上的速度。最后成功地在FPGA上模拟了最多显示150个对象的boids群集模式。 这个项目的目标是改善更新功能所需的周期数并看到总体执行时间的改进。如果能够减少运行更新的专用硬件的循环次数估计就最终可以在ARM处理器上进行超过3000个对象的计算。 2. 实现原理
要创建boids群集模拟需要遵循三个主要步骤:分离、对齐和聚集。 分离 Separation离得太近的物体会相互远离 对齐 Alignment对齐是指每个物体试图匹配其可见范围内物体的速度朝着周围同伴的平均方向前进 聚集 Cohesion朝着周围同伴的平均位置移动 当对象之间靠得太近时执行两个步骤使对象之间稍微散开一点。第一步是计算当前节点到最近节点的距离 close_dx boid.x - otherboid.x close_dy boid.y - otherboid.y 一旦这被计算出来我们就创造了一个回避因素avoidfactor。这个avoidfactor虽然仍然相对较小但将乘以之前计算的close_dx和close_dy值: boid.vx close_dx*avoidfactor boid.vy close_dy*avoidfactor 下一步是对齐所需的计算。我们执行以下步骤: 在开始更新特定对象时三个变量(xvel_avg、yvel_avg和neighboring_boids)为零。 循环遍历每一个其他的对象。如果到特定对象的距离小于可见范围则 xvel_avg otherboid.vx yvel_avg otherboid.vy
neighboring_boids 1 循环遍历所有其他物体后如果neighboring_boids 0则执行以下操作: xvel_avg xvel_avg/neighboring_boids yvel_avg yvel_avg/neighboring_boids 然后根据以下公式更新速度: boid.vx (xvel_avg - boid.vx)*matchingfactor boid.vy (yvel_avg - boid.vy)*matchingfactor
其中matchingfactor是一个可调参数 最后一次物体对物体的更新是基于聚集性因为每个物体对象都在其可见范围内缓慢地转向其他对象的质心。它是这样做的: 1. 在开始更新特定对象时三个变量(xpos_avg、ypos_avg和neighboring_boids)为零 2. 循环遍历每一个其他的对象。如果到特定对象的距离小于可见范围则 xpos_avg otherboid.x ypos_avg otherboid.y neighboring_boids 1 循环遍历所有其他对象后如果neighboring_boids 0则执行以下操作: xpos_avg xpos_avg/neighboring_boids ypos_avg ypos_avg/neighboring_boids 然后根据以下公式更新速度 boid.vx (xpos_avg - boid.x)*centeringfactor boid.vy (ypos_avg - boid.y)*centeringfactor
其中centeringfactor是一个可调参数 对象更新的最后一步是确定对象何时需要转动以便所有对象都保持在正在使用的VGA屏幕的范围内。这可以通过下面的条件语句来实现: if boid.x leftmargin: boid.vx boid.vx turnfactor if boid.x rightmargin: boid.vx boid.vx - turnfactor if boid.y bottommargin: boid.vy boid.vy - turnfactor if boid.y topmargin: boid.vy boid.vy turnfactor 当使用不同的微控制器和显示器时边界条件和背后的逻辑保持不变。 3. 视频演示 视频参考基于FPGA加速的bird-oid object算法实现
4. 源码下载 ECE 5760 Final Project
