Raytracing is a basic technique for displaying 3D objects. The goal of this thesis is to demonstrate the possibility of implementing raytracer using a programmable GPU. The algorithm and its modified version, implemented using "C for CUDA" language, are described. The raytracer is focused on displaying dynamic scenes. For this purpose the KD tree structure, bounding volume hierarchies and PBO transfer are used. To achieve realistic output, photon mapping was implemented.

For 500 years transient light phenomena (TLP) have been observed on the lunar surface by ground-based observers. The actual physical reason for most of these events is today still unknown. Current plans of NASA and SpaceX to send astronauts back to the Moon and already successful deep-space CubeSat mission will allow in the future research nanosatellite missions to the cislunar space. This thesis presents a new hardware and software concept for a future payload on such a nanosatellite. The main task was to develop and implement a high-performance image processing algorithm which task is to detect short brightening flashes on the lunar surface. Based on a review of historic reported phenomena, possible explanation theories for these phenomena and currently active and planed ground- or space-based observatories possible reference scenarios were analyzed. From the presented scenarios one, the detection of brightening events was chosen and requirements for this scenario stated. Afterwards, possible detectors, processing computers and image processing algorithms were researched and compared regarding the specified requirements. This analysis of available algorithm was used to develop a new high-performance detection algorithm to detect transient brightening events on the Moon. The implementation of this algorithm running on the processor and the internal GPU of a MacMini achieved a framerate of 55 FPS by processing images with a resolution of 4.2 megapixel. Its functionality and performance was verified on the remote telescope operated by the Chair of Space Technology of the University of Würzburg. Furthermore, the developed algorithm was also successfully ported on the Nvidia Jetson Nano and its performance compared with a FPGA based image processing algorithm. The results were used to chose a FPGA as the main processing computer of the payload. This concept uses two backside illuminated CMOS image sensor connected to a single FPGA. On the FPGA the developed image processing algorithm should be implemented. Further work is required to realize the proposed concept in building the actual hardware and porting the developed algorithm onto this platform.

The main aim of this thesis is the exploration of the potential use of the parallelism of numerical computations in the field of nonlinear dynamics. In the last decade the dramatic onset of multicore and multi-processor systems in combination with the possibilities which now provide modern computer networks has risen. The complexity and size of the investigated models are constantly increasing due to the high computational complexity of computational tasks in dynamics and statics of structures, mainly because of the nonlinear character of the solved models. Any possibility to speed up such calculation procedures is more than desirable. This is a relatively new branch of science, therefore specific algorithms and parallel implementation are still in the stage of research and development which is attributed to the latest advances in computer hardware, which is growing rapidly. More questions are raised on how best to utilize the available computing power. The proposed parallel model is based on the explicit form of the finite element method, which naturaly provides the possibility of efficient parallelization. The possibilities of multicore processors, as well as parallel hybrid model combining both the possibilities of multicore processors, and the form of the parallelism on a computer network are investigated. The designed approaches are then examined in addressing of the numerical analysis regarding contact/impact phenomena of shell structures.

This thesis deals with model-based approach to 3D tracking from monocular video. The 3D model pose dynamically estimated through minimization of objective function by particle filter. Objective function is based on rendered scene to real video similarity.

Tato práce se zabývá problematikou urychlování genetických algoritmů a hned v úvodu nastiňuje možnosti využití genetických algoritmů v praxi. V první kapitole je detailně rozebrán princip fungování genetického algoritmu. Tato kapitola se dále zabývá možnostmi zákódování problému, který je použit pro běh genetického algoritmu. Konkrétně je vzpomenuto binární zakódování jedince, celočíselné zakódování jedince, neceločíselné zakódování jedince a permutační zakódování jedince. Pro každý typ zakódování jsou dále představeny genetické operátory mutace, křížení a selekce. Důraz je kladen na permutační genetické operátory OX a PMX. Další kapitola se zabývá možnostmi paralelizace genetického algoritmu. Další kapitola představuje nový standard jménem OpenCL, který umožňuje snadnou paralelizaci výpočtú s využitím různých typů procesorů v ten samý čas. OpenCL taktéž zjednodušuje programování pro grafické karty. Další kapitola navrhuje možnost, jak urychlit výpočet genetického algoritmu s využitím grafické karty a jazyka OpenCL. Pro urychlení byl zvolen permutační genetický algoritmus "problém N-dam", který je náročný na paměť grafické karty. Tato kapitola rozebírá technické specifikace grafické karty, které jsou nevyhnutelné k určení maximální velikosti šachovnice. V kapitole je analyzována správná práce s pamětí grafické karty, která je nevyhnutelná k dosažení urychlení zvoleného genetického algoritmu. Jsou zde taky nastíněny dva generátory náhodných čísel, které jsou součástí testů. Následující kapitola detailně popisuje fungování navržené paralelizace genetického algoritmu. Jsou zde porovnány dvě metody evaluace jedince a je popsán způsob testování a vyhodnocování výsledků. Předposlední kapitola porovnává časovou náročnost generátorů náhodných čísel. Bylo zjištěno, že generátor HybridTaus je o 20 rychlejší o proti generátoru XORshift na GPU. Na CPU byl naopak rychlejší generátor XORshift. Generátor XORshift je na GPU 20 krát rychlejší a generátor HybridTaus je dokonce až 80 krát rychlejší. Dále byly porovnány evaluační funkce. Bylo zjištěno, že GPU běh je 800 krát rychlejší oproti běhu na CPU. Paměťově náročná evaluační metoda byla schopná dosáhnout jenom dvojnásobné zrychlení. Kapitola dále porovnává funkce křížení. PMX dosáhlo zrychlení maximálně o 100 a i to v případech, které nejsou atraktivní pro řešení problému N-dam (N>20). V případe OX je možné dosáhnout zrychlení až o 1100. Také v tomto případě jsou atraktivní hodnoty pouze do 500. Testy, které vyhodnocují běh celého GA, ukázaly, že GPU verze je zhruba dvojnásobně rychlejší. Malé zrychlení bylo způsobeno operátorem selekce a funkcí křížení.

This thesis represents master's thesis focused on acceleration of Genetic algorithms using GPU. First chapter deeply analyses Genetic algorithms and corresponding topics like population, chromosome, crossover, mutation and selection. Next part of the thesis shows GPU abilities for unified computing using both DirectX/OpenGL with Cg and specialized GPGPU libraries like CUDA. The fourth chapter focuses on design of GPU implementation using CUDA, coarse-grained and fine-grained GAs are discussed, and completed by sorting and random number generation task accelerated by GPU. Next chapter covers implementation details -- migration, crossover and selection schemes mapped on CUDA software model. All GA elements and quality of GPU results are described in the last chapter.