田中法博ゼミナール(長野大学 企業情報学部)

田中ゼミの研究成果がイノベーションジャパンに採択されたので、その発表準備をしました。

9月22日にパネルやらパンフレットやらを運送会社が集荷に来るのでその準備で大変でした。

今回はいろんな意味で大変な修羅場でした。

ということなので、今回のブログで紹介したかったのですが、それらの状況を報告する写真を撮るのを忘れていました。

ブログ更新担当者としては、大変残念です。

とりあえず、かろうじて写真がある「デモ用PCの準備」のところだけでもご報告したいと思います。

今回のイノベーションジャパンでの長野大学の展示では、美術品の3DCG再現を行いますので、そのデモ用のPCが極めて重要になります。

ただ、デモ用の機材は事前に集荷されてしまいますので、２週間くらい使えなくなってしまいます。

また、普段研究で使用しているPCは、開発環境として壊したくないのでデモ用に提供するのはちょっと困ります。

田中ゼミでは、パーツの再利用でPCを作っているという記事を書いたことがありますが、そういったPCは一点豪華主義で高性能なパーツが入っていたりします。

ということで、そういったメイン以外のPCの高性能なパーツをかき集めて、デモ用のPCを作ることになりました。

まずはデジタルコスメ班が使用しているセカンドPC（作業用に使っているPC）をベースにデモ用PCが作られることになりました。何故かN unidesignのSさんも作業協力に来てくれています。

このPCは一世代前のシステムですが、まだまだ若い者には負けん性能を持っています。

しかし、電源ユニットが少し貧弱(旧型でしかも550W)なので、もう少し強力なものに換装します。

電源ユニットは計測部屋にあるオンラインゲームサーバから拝借... えっ？！いいの？

Enermax製の高効率82+の電源を無事取り出しました。

次は、デモ用PCで使用するグラフィックスボードが必要です。3DCGのデモをするために高性能なものが必要です。

そこでARと3D Vision用のPCからグラフィックスボード(GeForce GTX 460)を取り出します。

でも、これってメインのPCじゃ...

あ、大丈夫なようです。でも3D眼鏡で遊ばないでください。

せっせと作業中

このARと3D Vision用のPCからは、GTX 460をいただいたのですが、そのお返しとして、より高性能なGeForce GTX 480を搭載しました。ただ、650W電源なので、どこまで持つか不安です。近いうちに大容量の電源ユニットを購入する必要があります。

さて、かき集めたパーツからデモ用PCを組み上げます。

まずは電源ユニットを取りつけます。

最新の大容量高効率電源なので、デモ用PCの安定性はバッチリです。

次にグラフィックスボード(GeForce GTX 460)を取りつけます。

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後学期の授業に向けて田中先生の授業の準備を手伝っています。

今回の田中ゼミの学生の仕事は、授業で使う仮想環境を構築することです。

後期のコンピュータビジョン、オブジェクト指向、プログラミング関係の授業では、unix系のOS(FreeBSD) を使って授業を行うらしいです。

と、いうわけで田中ゼミ仕様のグラフィックスソフトウェア開発に特化したシステムを構築してみようと思います。

こちらが今回VirtualBox上に構築した仮想PCが動作している様子です。Windows上でFreeBSDが動作していることがわかります。

【仮想PCの構築】

今回仮想環境を構築するためのソフトウェアとしてVirtualBox 3.2.8 を使用します。

授業で提供する開発環境は以下のようになります。

1. Windows上で仮想PCを用意して、その上にFreeBSD 8.1-stable（32bit)をインストールします。
2. 仮想PC上のメモリはとりあえず512MB,HDDは20GBで動かすことを目指します。
3. 配布時の仮想ディスクイメージは8GB以下に抑える(片面二層のDVD-Rに入れるため)
4. デスクトップ環境は軽量化を意識して xfce 4.6.2
5. 画像処理ソフトウェアは、ラスター方式はgimp 2.6.10, ベクター方式は inkscape 0.47
6. 3DCG作成には Blender
7. 開発環境として Eclipse
8. コンピュータビジョン用ライブラリ OpenCV 2.1.0 の最新版
9. emacs 等のテキストエディタを用意
10. グラフ作成にはgnuplot 4.4.0 
11. 田中ゼミの開発環境（独自のライブラリやコマンド等)をインストール

【VirtualBox上にFreeBSDをインストール】

VirtualBox上にFreeBSDをインストールするのは比較的楽なのですが、その後、ソフトウェアのインストールをしていかなければなりません。

FreeBSDでは通常は ports と呼ばれるシステムを使って、ソースコードからコンパイルしてインストールするのですが、VirtualBox等の仮想環境上では処理速度が遅いので　packege と呼ばれるコンパイル済みのアプリをインストールします。

packageを使った場合、ports からインストールするより少しバージョンが古くなってしまう場合があります。

【アプリケーションソフトのインストール・設定】

FreeBSDは普段から使いなれたOSなので、特に設定等で困ることはありませんでした。

OSのインストール作業が終わると、あとはアプリ等のインストール作業に入ります。

(1) 環境変数の設定

研究室から外部のサーバへアクセスする場合、プロキシ経由でないといけないので以下のように環境変数を設定します。

setenv HTTP_PROXY http://プロキシサーバ名:port番号

これを一つ設定しておけば、ftp 等も共通の設定で使用されます。

次にアプリをどこのサイトからインストールするか設定します。

setenv PACKAGESITE  インストール元のサーバ名(日本国内の速度の速いところを設定)

(2) packageのインストール

こちらも非常に作業は簡単。以下のように pkg_add コマンドを使えば自動的にネットワークから依存関係も含めてアプリをダウンロードしてインストールしてくれます。

pkg_add -r パッケージ名

(3) 起動画面の設定

FreeBSDは何も設定していなければ起動時が地味で、デバイスの認識状況等が黒画面に次々と表示されていきます。

これだと味気ないので、Linuxのディストリビューションの多くが行っているような起動画面を表示させるようにしたいと思います。

こちらは起動画面を設定した後のFreeBSDの起動時の様子です。

FreeBSDのロゴも表示されてカッコよくなっています。

【起動画面の設定方法】

1024×768サイズのbmpファイル（256色インデックスカラーになっているもの)を用意します。

そのファイル名を bsd.bmp とすると、それを/boot/kernel/にインストールします。

その後、/boot/loader.conf に以下の設定を追加します。

bitmap_load="YES"
bitmap_name="bsd.bmp"
splash_bmp_load="YES"
vesa_load="YES"

(4) ログイン画面の設定

せっかく起動画面まで作ったので、次はログイン画面を設定します。

こちらもグラフィカルにログインできるようにします。

一般にgnome等ではgdmが使われますが、いろいろ余計なソフトウェアもインストールされるという問題があります。

田中ゼミのお気に入りは、slim と呼ばれるシステムでFreeBSDのテーマ(画面のデザイン)を使います。

slimのインストール方法

・pkg_add -r slim

・pkg_add -r slim-themes

slimの設定方法

/usr/local/etc/slim.conf の中の　current_theme　の値を fbsd にする。

つまり以下のような感じです。

current_theme       fbsd

(5) 解像度を変更したり、マウスをシームレスモードにできるようにする（Guest Additions の設定）

(5-1) Guest Additions のインストール

VirtualBoxでは、GuestAdditionsと呼ばれる仮想PC用のドライバのパッケージがあり、これをインストールすると画面の解像度が自由に変更できたり、マウスカーソルをHost OSと Guest OSで自由に行き来できるシームレスモードが使えるようになります。

他のOSと異なりFreeBSDでは、このGuest Additions は、portsまたは、packageで用意されています。

インストール方法は、

pkg_add -r virtualbox-ose-additions

と入力すれば自動的にインストールされます。

次に次回起動時以降も自動的にドライバを認識させるために

/boot/loader.conf に

vboxguest_load="YES"

の一行を追加します。

(5-2) ドライバの有効化

その後、インストールしたドライバを有効にするために以下のようなコマンドを入力します。

Xorg 　--configure

その後、一度、再起動すれば設定は完了です。

【とりあえず、動作確認している様子】 

一通りの設定が終わって動作確認をしている様子です。

それにしても散らかっている研究室です。

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何やらM君が新しい機材のセッティングをしています。

どうやら、新しく導入したNVIDIAの3D Visionシステムのようです。

この3D Visionは今流行りの映像を3D(立体)で表示するためのシステムです。

この3D Visionは先日ご紹介した GeForce GTX 460 に接続して使います。

この3Dシステムでは、いわゆる3D眼鏡をかけて画面を立体的に見ることができます。

このシステムの立体視の原理は、グラフィックスボードに接続された赤外線エミッタから出た信号で3D眼鏡のシャッターを同期させて視差のある画像を左右交互に見ます。

これで画面が立体的に見えるようになります。

ですので、このブログを見ている人には残念ながら画像は立体には見えません。

大変、申し訳ございません。

3D眼鏡をかけたM君です。なんか妙に似合っています。

早速、システムの設定です。画面を見ながら立体視の設定をしていきます。

M先輩も3D眼鏡をかけて設定作業に参加します。

画面上の図形を見ながら、正しく3次元映像が表示されるように設定を調整していきます。

次に、こちらが3D画像を表示している様子です。3D眼鏡をかけていない人には単にブレているだけの画像にしか見えません。

しかし！　3D眼鏡をかけている本人には凄い迫力で映像が見えています！

映像が立体です。画面から飛び出してきます。

しかし、この迫力は本人にしかわかりません。大変、残念です。

田中ゼミでは、このシステムをデジタルアーカイブされた美術品を3D(立体)表示させるために導入しました。

といっても、まだシステムを導入したばかりで、これからいろいろ調べていかないといけないのですが...

田中ゼミでは、複雑な3DCGを高速に生成するためにはGPUと呼ばれるハードウェアの処理速度が重要になっています。

GPUで高速に3DCGを生成させるために、複数のGPUを同時に使って並列処理で高速化させる方法があります。

田中ゼミにあるNVIDIA社製のGeForce GTX 295は 2つのGPUを搭載するマルチGPU型のグラフィックスボードなのですが、これまで2つ目のGPUがうまく動きませんでした。

下の写真はPC本体とGTX 295の写真です。

※グラフィックスボード上に怪しい画像が貼り付けてありますが、これは購入時（製造時）から貼り付けてあったものです。このGTX 295の製品ページはこちら

これまで何度かボード上の2つのGPUを同時に動かそうと試みたのですが、NVIDIA社製のドライバがうまく機能しなくて並列動作をしませんでした。

めんどくさがりが多い田中ゼミではそれ以上の検討をすることなく、そのまましばらく放置されていたのですが、ここに来て急にマルチGPUがやりたくなり、最新のNVIDIAドライバを使って再度試してみることになりました。

それで最新バージョンのドライバ(256.53)を使ってみると、なんとあっさりと動くではないですか！

それで急遽、マルチGPUで我々の開発しているソフトウェアがどれくらい速くなるか試してみることになりました。

大変軽いノリで実験の開始です。

【検証に使用した環境】

OS: FreeBSD 8.1-stable 64bit版

CPU: Intel Core i7 920 (2.66GHz)

メモリ: 9GB(トリプルチャンネルで動作)

NVIDIAドライバ: FreeBSD x86_64 ドライバ256.53

GPU: NVIDIA GeForce GTX 295　1792MB　(GIGABYTE社製 GV-N295-18I-B (Rev. 1.0))

【マルチGPUの設定】

(1) マルチGPUの動作モード

マルチGPUは動作の仕方によって、２種類の設定があります。

• AFR: 画面(フレーム)毎の並列処理
• SFR: 1つの画面（フレーム)を分割して並列処理

ただ、今回の実験では SFRモードしか速度が向上しませんでした。

(2) 設定ファイル 

マルチGPUの設定は以下のファイルに設定を書きこみます。

/etc/X11/xorg.conf

(3) 設定内容

Section "Screen" に

Option         "MultiGPU" "SFR"

を追加します。そうすると、GPUがSFRモードで並列動作(2GPUで動作)開始します。

【マルチGPUの速度検証】

以前の記事のこことここでGPUの速度を田中ゼミで開発しているソフトウェアで検証しましたが、

今回も同じものを使いました。

こちらはマルチGPUを用いて日本刀を3DCG再現している様子です。(OS: FreeBSD 8.1-stable)

◇日本刀のデジタルアーカイブシステム

• 1GPU(シングル動作)を使用： 50.0FPS
• 2GPU(マルチ動作)を使用:　71.0FPS

◇不均質誘電体（プラスチックやペイント）のレンダリングシステム

• 1GPU(シングル動作)を使用： 47.0FPS
• 2GPU(マルチ動作)を使用:　  74.3FPS

◇レイトレーシングシステム

以上のように2GPUで処理することで大幅に処理速度(CGの生成速度)が向上していることがわかります。

特にレイトレーシングシステムでは、GTX 295を2GPUで使用すると 46.9FPSとなり、これは最新かつ最高スペックのGTX 480 (約30FPS)よりも高速に動作することがわかりました。

【GPUの温度】

GPUに計算処理をさせると電力消費量が増えますのでGPUが高温になります。

当然マルチGPUだとその消費電力からなる発熱は凄まじいものとなります。

ためしにレイトレーシングシステムを使用したときどのぐらいGPUの温度が上昇するか試してみると、

なんと！　２つのGPUの温度は90℃を超えてしまっています。かなりの電力を消費していることがわかります。

下の画像は、レイトレーシングシステムを動作させながらGPUの温度を表示させている様子です。

温度を示すメーターがレッドゾーンに入っており、GPU温度も90℃を突破しています。

※ NVIDIAドライバから温度異常の警告が出るのは105℃からなので、まだ余裕はありますが。

【WindowsでのマルチGPUの問題】

今回のOpenGLによるマルチGPUの検証は、全てFreeBSD上で行っています。

Windowsでも同様な実験を行いましたが、Windows上ではマルチGPUの設定を行っても速度の向上が認められませんでした。( NVIDIA ドライババージョン 258.96)

Windowsでは、OpenGLがあまり重要視されていないためなのか、それとも我々が何か設定を間違ったのかはわかりませんが、我々のシステムではWindows上でのマルチGPUは使用できないようです。

Windowsでは、マルチGPUの設定はNVIDIAの設定ツールから以下のように３つの設定から選択します。

• シングルGPU
• フレームのレンダリングを強制的に交互にする 1
• フレームのレンダリングを強制的に交互にする 2

とあります。

※この選択肢だと1と2の違いが良く分からないのですが...

9月11日(土)に長野大学のオープンキャンパスが開催されました。

今回も田中ゼミも出動しています。

毎度おなじみで、まことに申し訳ございませんが3Dレーザスキャンで形状計測をするデモを行いました。

今回も大勢のお客さんに実物を3DCG化するデジタルアーカイブ体験をしていただきました。

こちらはパネル展示です。企業情報学部の学びをご説明しています。

【模擬講義】

今回も模擬講義のサポートを行っていますが、こちらは事前の準備中です。

【模擬講義の開始！】

「Adobeのイラストレータを使ったマウスパッドのデザイン実習」

模擬講義の担当はUYさんです。

今回も大勢の高校生や保護者の方々が参加してくれました。

長野大学学生の先輩たちがしっかり演習をサポートしてくれています。

【マウスパッドの作成は大忙し！】

出来上がった作品はプリントアウトします。こちらも長野大学の学生がサポートしています。

と、思ったら何故か田中ゼミのOBの先輩たちが作業をしています。

プリントアウトした作品は、高校生のみなさんのところに迅速に届けられます。

UYさんが走る！　皆様のもとへ！

まだ走る！　作品をお届けするために！

えっ？　まだ走ってんの？

そして、ついに完成！出来上がったマウスパッドを組み上げます。