劉進鋒，郭 雷

(西北工業(yè)大學 自動化學院，陜西 西安 710129)

1 CUDA與OpenGL概述

OpenGL是圖形硬件的軟件接口，它是在SGI等多家世界著名的計算機公司的倡導下，以SGI的GL三維圖形庫為基礎(chǔ)制定的一個通用、共享的、開放式的、性能卓越的三維圖形標準。OpenGL在醫(yī)學成像、地理信息、石油勘探、氣候模擬以及娛樂動畫上有著廣泛應用，它已經(jīng)成為高性能圖形和交互式視景處理的工業(yè)標準。

OpenGL不是一種編程語言，而是一種 API(應用程序編程接口)。程序員可以使用某種編程語言 (如C或C＋＋)編寫繪圖軟件，其中調(diào)用了一個或多個 OpenGL庫函數(shù)。作為一種API，OpenGL遵循C語言的調(diào)用約定。OpenGL開發(fā)資料可參考文獻[1]和參考文獻[2]。

圖形處理器(GPU)原本是處理計算機圖形的專用設(shè)備，近十年來，由于高清晰度復雜圖形實時處理的需求，GPU發(fā)展成為高并行度、多線程、多核的處理器。目前，主流GPU的運算能力已超過主流通用CPU，從發(fā)展趨勢上來看將來差距會越拉越大。為了合理地利用GPU資源，CUDA(統(tǒng)一計算設(shè)備架構(gòu))應運而生。CUDA是一種由NVIDIA推出的通用并行計算架構(gòu)[3]，該架構(gòu)使GPU能夠解決復雜的計算問題，并且由于CUDA編程語言基于標準的C語言，從而大大提高了可編程性。

CUDA和OpenGL互操作的基本方式是使用CUDA生成數(shù)據(jù)，然后使用OpenGL在屏幕上繪制出數(shù)據(jù)所表示的圖形。兩者的結(jié)合可以通過兩種方式來實現(xiàn)：

(1)使用 OpenGL的 PBO(像素緩沖區(qū)對象)。在該方式下，CUDA直接生成像素數(shù)據(jù)，OpenGL顯示這些像素；

(2)使用 OpenGL的 VBO(頂點緩沖區(qū)對象)。在該方式下，CUDA生成頂點網(wǎng)格數(shù)據(jù)，OpenGL可以根據(jù)需要繪制出平滑的表面圖或線框圖或一系列頂點。

這兩種方式的核心都是利用cudaGLMapBufferObject函數(shù)將OpenGL的緩沖區(qū)映射到CUDA的內(nèi)存空間上，這樣，程序員就可以充分利用CUDA的優(yōu)點寫出性能高的程序在該內(nèi)存空間上生成數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不需要傳送，OpenGL可以直接使用。如果不使用CUDA，這些數(shù)據(jù)需要由CPU來計算產(chǎn)生。一方面，CPU的計算速度通常比GPU慢；另一方面，這些數(shù)據(jù)需要傳送到GPU上以供OpenGL顯示使用。鑒于此，當數(shù)據(jù)量很大時，CUDA和OpenGL的混合使用效果明顯。

2 CUDA和OpenGL互操作的過程[4]

CUDA和OpenGL互操作具體步驟如下：

(1)創(chuàng)建窗口及OpenGL運行環(huán)境。

(2)設(shè)置OpenGL視口和坐標系。要根據(jù)繪制的圖形是2D還是3D等具體情況設(shè)置。(1)和(2)是所有OpenGL程序必需的，這里也沒什么特殊之處，需要注意的是，后面的一些功能需要OpenGL 2.0及以上版本支持，所以在這里需要進行版本檢查。

(3)創(chuàng)建CUDA環(huán)境?？梢允褂胏uGLCtxCreate或cudaGLSetGLDevice來設(shè)置CUDA環(huán)境。該設(shè)置一定要放在其他CUDA的API調(diào)用之前。

(4)產(chǎn)生一個或多個OpenGL緩沖區(qū)用以和CUDA共享。使用PBO和使用VBO差不多，只是有些函數(shù)調(diào)用參數(shù)不同。以下是具體過程。

//給該緩沖區(qū)分配數(shù)據(jù)，PBO方式下，parameter1設(shè)置為GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER，parameter1設(shè)置為圖像的長度*寬度*4。VBO方式下，parameter1設(shè)置為GL_ARRAY_BUFFER，parameter2設(shè)置為頂點數(shù)*16，因為每個頂點包含3個浮點坐標(x，y，z)和4個顏色字節(jié)(RGBA)，這樣一個頂點包含16B

(5)用CUDA登記緩沖區(qū)。登記可以使用cuGLRegisterBufferObject或 cudaGLRegisterBufferObject，該命令告訴OpenGL和CUDA 驅(qū)動程序該緩沖區(qū)為二者共同使用。

(6)將OpenGL緩沖區(qū)映射到CUDA內(nèi)存。可以使用cuGLMapBufferObject或 cudaGLMapBufferObject，它實際是將CUDA內(nèi)存的指針指向OpenGL的緩沖區(qū)，這樣如果只有一個GPU，就不需要數(shù)據(jù)傳遞。當映射完成后，OpenGL不能再使用該緩沖區(qū)。

(7)使用CUDA往該映射的內(nèi)存寫圖像數(shù)據(jù)。前面的準備工作在這里真正發(fā)揮作用了，此時可以調(diào)用CUDA的kernel，像使用全局內(nèi)存一樣使用映射了的緩沖區(qū)，向其中寫數(shù)據(jù)。

(8)取消OpenGL緩沖區(qū)映射。要等前面CUDA的活動完成以后，使用 cuGLUnmapBufferObject或cudaGLUnmapBufferObject函數(shù)取消映射。

(9)前面的步驟完成以后就可以真正開始繪圖了，OpenGL的PBO和VBO的繪圖方式不同，分別為以下兩個過程。

①如果只是繪制平面圖形，需要使用OpenGL的PBO及紋理。

glTexParameteri (GL_TEXTURE_2D，GL_TEXTURE_MAG_FILTER，GL_LINEAR)；//必 須 設(shè) 置 濾 波 模 式 ，GL_LINEAR 允許圖形伸縮時線性差值。如果不需要線性差值，可以用GL_TEXTURE_RECTANGLE_ARB代替GL_TEXTURE_2D以提高性能，同時在 glTexParameteri()調(diào)用里使用 GL_NEAREST替換GL_LINEAR

然后就可以指定4個角的紋理坐標，繪制長方形了。

②繪制3D場景，需要使用VBO。

//根據(jù)頂點數(shù)據(jù)繪圖，參數(shù)可以使用GL_LINES，GL_LINE_STRIP， GL_LINE_LOOP， GL_TRIANGLES，GL_TRIANGLE_STRIP， GL_TRIANGLE_FAN， GL_QUADS，GL_QUAD_STRIP，GL_POLYGON

(10)前后緩存區(qū)來回切換，實現(xiàn)動畫顯示效果。調(diào)用SwapBuffers()，緩沖區(qū)切換通常會在垂直刷新間隙來處理，因此，可以在控制面板上關(guān)掉垂直同步，使得緩沖區(qū)切換立刻進行。

3 CUDA和OpenGL互操作性能實例分析

3.1 測試實例

這是一個相對簡單的實例，其主要功能是不斷地動態(tài)改變一個紋理圖案中每個像素的顏色并顯示。該實例使用了OpenGL的PBO并利用了OpenGL與CUDA互操作方式，紋理圖案數(shù)據(jù)的生成主要由CUDA的kernel函數(shù)完成，完整程序及CUDA的kernel函數(shù)請參看參考文獻[5]。

如果不使用CUDA，整個程序結(jié)構(gòu)變化不大，主要差別是生成該紋理圖案的函數(shù)在CPU上運行，因而該函數(shù)及其調(diào)用方式要重寫，具體函數(shù)如下：

其中，參數(shù)pos表示像素數(shù)組，width為圖像寬度，height為圖像高度，time是每次調(diào)用該函數(shù)時固定遞增的一個值。

3.2 測試結(jié)果

上述實例在兩種環(huán)境中做了實驗，CUDA版本都是3.2。測試環(huán)境1的主要配置如下：CPU為Intel Core i3-M380， 主頻為 2.53 GHz，GPU為 NVIDIA NVS 3100M，內(nèi)存為2 GB。測試環(huán)境2的主要配置如下：CPU是Intel Core2 duo E7400，主頻為 2.8 GHz，GPU 使用 GeForce 9800 GTX+，內(nèi)存為2GB。測試時，顯示設(shè)置的垂直同步要關(guān)閉。

測試時設(shè)置紋理圖像的長和寬都是512，CUDA的線程塊為1 024，每個線程塊內(nèi)的線程數(shù)為256，在OpenGL的顯示回調(diào)函數(shù)里統(tǒng)計f/s(刷新率)，結(jié)果如表1所示。

從實驗結(jié)果可以看出，CUDA與OpenGL結(jié)合的方式效果顯著，顯示速度比不使用CUDA提高了7~8倍。

CUDA是一種較新的方便使用GPU進行通用計算的架構(gòu)，OpenGL是圖形處理的工業(yè)標準。兩者的互操作充分利用了GPU的特點，因而顯得非常自然和合理，實驗驗證了兩者配合使用的效果。該方式為高性能圖形圖像顯示及科學計算可視化提供了良好的模式架構(gòu)。

表1 兩種測試環(huán)境下使用和不使用CUDA的性能比較

[1]WRIGHTR S， LIPCHAK B， HAEMELN.OpenGL superbible(Fourth Edition)[M].Addison-Wesley，2007.

[2]AHN S H.The OpenGL tutorials[OL].[2011-09-01].http：//songho.ca/opengl/.

[3]NVIDIA Corporation.NVIDIA CUDA programming Guide Version 3.2[OL].Mar.2011，http：//developer.nvidia.com/cuda.

[4]STAM J.What every CUDA programmer needs to know about OpenGL[OL].[2011-09-01].http：//nvidia.fullviewmedia.com/GPU2009/1001-valley-1055.html.

[5]FARBER R.CUDA， supercomputing for the masses： Part 15[OL]. [2011-09-01].http：//www.drdobbs.com/architectureand-design/222600097.