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        CUDA和OpenGL互操作的實(shí)現(xiàn)及分析*

        2011-07-28 01:32:14劉進(jìn)鋒
        關(guān)鍵詞:緩沖區(qū)調(diào)用頂點(diǎn)

        劉進(jìn)鋒,郭 雷

        (西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)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(jì)算機(jī)公司的倡導(dǎo)下,以SGI的GL三維圖形庫(kù)為基礎(chǔ)制定的一個(gè)通用、共享的、開(kāi)放式的、性能卓越的三維圖形標(biāo)準(zhǔn)。OpenGL在醫(yī)學(xué)成像、地理信息、石油勘探、氣候模擬以及娛樂(lè)動(dòng)畫(huà)上有著廣泛應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。

        OpenGL不是一種編程語(yǔ)言,而是一種 API(應(yīng)用程序編程接口)。程序員可以使用某種編程語(yǔ)言 (如C或C++)編寫(xiě)繪圖軟件,其中調(diào)用了一個(gè)或多個(gè) OpenGL庫(kù)函數(shù)。作為一種API,OpenGL遵循C語(yǔ)言的調(diào)用約定。OpenGL開(kāi)發(fā)資料可參考文獻(xiàn)[1]和參考文獻(xiàn)[2]。

        圖形處理器(GPU)原本是處理計(jì)算機(jī)圖形的專(zhuān)用設(shè)備,近十年來(lái),由于高清晰度復(fù)雜圖形實(shí)時(shí)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(yùn)算能力已超過(guò)主流通用CPU,從發(fā)展趨勢(shì)上來(lái)看將來(lái)差距會(huì)越拉越大。為了合理地利用GPU資源,CUDA(統(tǒng)一計(jì)算設(shè)備架構(gòu))應(yīng)運(yùn)而生。CUDA是一種由NVIDIA推出的通用并行計(jì)算架構(gòu)[3],該架構(gòu)使GPU能夠解決復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題,并且由于CUDA編程語(yǔ)言基于標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)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(guò)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn):

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

        (2)使用 OpenGL的 VBO(頂點(diǎn)緩沖區(qū)對(duì)象)。在該方式下,CUDA生成頂點(diǎn)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(diǎn)。

        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(diǎn)寫(xiě)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(lái)計(jì)算產(chǎn)生。一方面,CPU的計(jì)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(dāng)數(shù)據(jù)量很大時(shí),CUDA和OpenGL的混合使用效果明顯。

        2 CUDA和OpenGL互操作的過(guò)程[4]

        CUDA和OpenGL互操作具體步驟如下:

        (1)創(chuàng)建窗口及OpenGL運(yùn)行環(huán)境。

        (2)設(shè)置OpenGL視口和坐標(biāo)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(méi)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(jìn)行版本檢查。

        (3)創(chuàng)建CUDA環(huán)境??梢允褂胏uGLCtxCreate或cudaGLSetGLDevice來(lái)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(gè)或多個(gè)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(guò)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(zhǎng)度*寬度*4。VBO方式下,parameter1設(shè)置為GL_ARRAY_BUFFER,parameter2設(shè)置為頂點(diǎn)數(shù)*16,因?yàn)槊總€(gè)頂點(diǎn)包含3個(gè)浮點(diǎn)坐標(biāo)(x,y,z)和4個(gè)顏色字節(jié)(RGBA),這樣一個(gè)頂點(diǎn)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(dòng)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(shí)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(gè)GPU,就不需要數(shù)據(jù)傳遞。當(dāng)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(xiě)圖像數(shù)據(jù)。前面的準(zhǔn)備工作在這里真正發(fā)揮作用了,此時(shí)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(xiě)數(shù)據(jù)。

        (8)取消OpenGL緩沖區(qū)映射。要等前面CUDA的活動(dòng)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(kāi)始繪圖了,OpenGL的PBO和VBO的繪圖方式不同,分別為以下兩個(gè)過(guò)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(shí)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(shí)在 glTexParameteri()調(diào)用里使用 GL_NEAREST替換GL_LINEAR

        然后就可以指定4個(gè)角的紋理坐標(biāo),繪制長(zhǎng)方形了。

        ②繪制3D場(chǎng)景,需要使用VBO。

        //根據(jù)頂點(diǎn)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(lái)回切換,實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)顯示效果。調(diào)用SwapBuffers(),緩沖區(qū)切換通常會(huì)在垂直刷新間隙來(lái)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(jìn)行。

        3 CUDA和OpenGL互操作性能實(shí)例分析

        3.1 測(cè)試實(shí)例

        這是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)例,其主要功能是不斷地動(dòng)態(tài)改變一個(gè)紋理圖案中每個(gè)像素的顏色并顯示。該實(shí)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(qǐng)參看參考文獻(xiàn)[5]。

        如果不使用CUDA,整個(gè)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(yùn)行,因而該函數(shù)及其調(diào)用方式要重寫(xiě),具體函數(shù)如下:

        其中,參數(shù)pos表示像素?cái)?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(shí)固定遞增的一個(gè)值。

        3.2 測(cè)試結(jié)果

        上述實(shí)例在兩種環(huán)境中做了實(shí)驗(yàn),CUDA版本都是3.2。測(cè)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(cè)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(cè)試時(shí),顯示設(shè)置的垂直同步要關(guān)閉。

        測(cè)試時(shí)設(shè)置紋理圖像的長(zhǎng)和寬都是512,CUDA的線程塊為1 024,每個(gè)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(jì)f/s(刷新率),結(jié)果如表1所示。

        從實(shí)驗(yàn)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(jìn)行通用計(jì)算的架構(gòu),OpenGL是圖形處理的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。兩者的互操作充分利用了GPU的特點(diǎn),因而顯得非常自然和合理,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(xué)計(jì)算可視化提供了良好的模式架構(gòu)。

        表1 兩種測(cè)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.

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