國產化適配｜一起看看適配國產GPU需要做什么
隨著信息化進程的加快，外部環境漸趨復雜，各種科技打壓和資源封鎖事件頻發，在這個過程中我們認識到了掌握信息技術自主可控的重要性，也是我國現亟需解決的大事兒，需要逐步減少對國外產品的依賴，在科技領域“挺直腰桿”。
國家“十四五”規劃明確，“堅持創新在我國現代化建設全局中的核心地位”“把科技自立自強作為國家發展的戰略支撐”。作為科技創新的重要領域，信創的戰略和經濟意義愈發凸顯。
發展自主可控的國產GIS軟件
為了建立一個健康安全的國產軟件生態，不僅要有國產芯片、國產操作系統和國產數據庫，還需要大量第三方應用和服務去適配它們。這樣，國產軟件生態才能“茁壯成長”。
在信創的變革下，GIS的基礎運行環境發生了非常大的變化。實際使用中，GIS并非簡單地對空間信息進行分析、處理后呈現給使用者，而是要精確、高效地進行空間數據綜合分析以及動態預測。因此，在 FreeXGIS平臺進行國產化環境部署時，對各功能及仿真場景的可用性及性能等方面都提出了相當高的要求。
目前，在國產CPU芯片體系架構上，主要分為 X86（海光、兆芯）、ARM（海思、飛騰）、mips（龍芯）、alpha（申威）、PowerPC架構（中晟宏芯）；在國產GPU中，較為知名的為景嘉微JM72系列、景嘉微JM92系列、芯瞳GenBu01；在國產操作系統上，市場占有率較高的有中標麒麟、銀河麒麟等。恒歌科技針對以上國產軟硬件環境進行了適配，滿足客戶自主可控的應用場景需求。
FreeXGIS平臺國產化部署
恒歌科技在針對FreeXGIS各端進行適配時，使用Qt 、OSG、OsgEarth等進行編譯部署、各種依賴庫源碼編譯，實現了GIS及可視化應用的自主可控。
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方案優勢
Advantages of Solution
平臺為在國產化軟硬件環境下實現GIS及態勢顯示、推演與評估提供穩定且可擴展的架構體系。
全面的國產化適配能力
FreeXGIS平臺具備極強的國產化適配能力，積極響應相關政策，為軟件、硬件及操作系統的同步國產化做出了支持，覆蓋適配絕大多數國產CPU、國產GPU和國產操作系統等。
業內領先的技術支持
FreeXGIS Desktop采用插件化框架設計，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，并結合專業的GIS數據處理庫以及osgEarth地形構建引擎，形成了一套高效的二三維場景渲染框架。
△ FreeXGIS Desktop
FreeXGIS Online則采用輕量級系統運行方式，持續優化底層渲染能力與運行效率，綜合提升場景表現力，同時具有靈活的數據接口，方便用戶接入互聯網數據，快速拓展相關業務。
△ FreeXGIS Online
FreeXGIS Server采用微服務的框架結構設計、分布+集群的部署方式，支持中標、銀河、鯤鵬等國產化環境部署，有效提升了服務的響應速度以及用戶并發量，也保證了系統的擴展性、容錯性以及開發效率。同時支持用戶私有云或局域網的服務部署，確保用戶的數據安全性。
△ FreeXGIS Server
安全穩定的私有化部署
恒歌科技深耕于GIS領域十余年，持續為軍工、航空航天等保密性、安全性要求較高領域的客戶提供服務，產品穩定、可靠，保證系統信息安全。
FreeXGIS平臺采用私有化部署，可直接部署在用戶本地服務器上，可源碼授權，在保證用戶數據安全性、系統穩定性下，能夠靈活應用于多種業務場景。
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優化方案
Optimization Scheme
在3D圖形處理中，顯卡性能對模型表現和模型處理而言，至關重要。顯卡越高端，其三維效果越逼真，圖面切換越流暢。本文針對國產化GPU在FreeXGIS中的優化方向進行簡單分析，分析方向：地理數據渲染優化、模型渲染優化、幾何圖元渲染優化。
地理數據渲染優化
01 地形數據加載流程
三維地形渲染系統使用金字塔的瓦片構建機制，采用實時動態調度算法，可以根據當前視口顯示的數據范圍，進行分級分區域動態調度，從而減少內存占用，減輕渲染壓力。
02 渲染模式優化
在國產化系統中，大地形渲染效率優化，除地形數據調度影響效率外，更多時候渲染采用的模式更為重要。本平臺通過優化渲染模式，使用頂點緩存對象渲染方式（數據存儲在GPU中，可直接繪制圖元，數據可修改），減少CPU與GPU的訪問次數，有效提升渲染效率。
03 減少狀態切換
在GIS平臺中，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據中同類型的狀態信息，減少狀態頻繁切換，大幅提升矢量的渲染效率。
大批次模型渲染優化
三維場景中，除去大地形的渲染消耗外，其余就是大量業務數據的加載及渲染，比如大批量的比如戰斗機、艦船、衛星、航路線等，帶來如下問題：第一，內存隨著場景中的實體增加呈現線性增長；第二，加重GPU的渲染負擔；第三，需要CPU與GPU進行多次重復的交互。
針對以上問題，我們采用了多實例渲染技術進行優化，該技術是一種用于大批量重復物件渲染的GPU技術，以降低客戶端和顯卡端數據傳輸量，即所謂的“一次提交，多次渲染”，是連續執行多條相同渲染命令的方法，并且每個命令所產生的渲染結果都會有輕微的差異，因此，它是一種非常有效的、可使用少量API調用來渲染大量幾何體的方法。
圖元渲染優化
01 優化圖元繪制
GPU繪制圖形需要CPU向GPU發出指令, 同時需要向GPU提交頂點坐標、紋理坐標、法線坐標等信息，復雜的仿真都是千萬級頂點數據，通過頂點緩存對象和索引緩存對象能夠使數據共享，減少頂點數目，靜態目標只需要提交一次數據，降低了CPU的負載。
02 動畫圖元繪制（如雷達通信效果）
動畫可以分為形變、屬性變化。形變即位置信息或拓撲結構的變化；屬性變化即顏色、光照、紋理等信息變化。
在以往的實現思路中，動畫都會在CPU端通過頂點變化實現，此時就需要高頻率的CPU-GPU通信，然而目前在國產CPU和GPU下是無法做到的。于是我們針對性的做了優化，將數據處理放在CPU中，將動畫效果通過著色器在OpenGL渲染管線中實現，減少CPU與GPU的通信，提升渲染效率。
03 幾何紋理擾動的優化
為了模擬顯示中的效果，如淹沒分析，我們針對波浪采用改變隨機的紋理坐標的方法，在以往的實現中同樣需要占用CPU與GPU的帶寬，于是我們將紋理坐標的計算放到頂點著色器中進行，效率得以提高。
國產化部署案例分享
01 銀河麒麟運行GIS平臺
銀河麒麟v10（國防版）
PC端
飛騰D2000
Qt Creator
FreeXGIS系列
公司FreeXGIS系列產品在銀河麒麟操作系統中良好適配，國產CPU飛騰D2000上流暢穩定運行。平臺涵蓋二三維圖層加載、測量、標繪、軍用標繪、海洋、星空環境、氣象、電磁等模塊，支持插件化與模塊化開發、應用。
02 中標麒麟運行GIS平臺
中標麒麟v5（軍用版）
PC端
龍芯3A4000
Qt Creator
FreeXGIS系列
公司FreeXGIS系列產品在中標麒麟操作系統中良好適配，國產CPU龍芯3A4000上流暢穩定運行。系統涵蓋衛星仿真、態勢仿真、電磁仿真領域，支持插件化與模塊化開發、應用，用戶體驗良好。