CUDA和OpenGL互操作的实现及分析

摘  要： CUDA和OpenGL互操作的基本方式是使用CUDA生成数据，再利用OpenGL在屏幕上绘制出数据所表示的图形。两者的结合可以通过使用OpenGL的PBO(像素缓冲区对象)或VBO(顶点缓冲区对象)两种方式来实现。描述了CUDA和OpenGL互操作的步骤并展示了一个使用PBO的实例。该实例运行结果表明，互操作的方式比单纯使用OpenGL方式快了7~8倍。
关键词： CUDA；OpenGL；像素缓冲区对象；顶点缓冲区对象
   1 CUDA与OpenGL概述
　OpenGL是图形硬件的软件接口，它是在SGI等多家世界着名的计算机公司的倡导下，以SGI的GL三维图形库为基础制定的一个通用、共享的、开放式的、性能卓越的三维图形标准。OpenGL在医学成像、地理信息、石油勘探、气候模拟以及娱乐动画上有着广泛应用，它已经成为高性能图形和交互式视景处理的工业标准。
　OpenGL不是一种编程语言，而是一种API(应用程序编程接口)。程序员可以使用某种编程语言(如C或C＋＋)编写绘图软件，其中调用了一个或多个OpenGL库函数。作为一种API，OpenGL遵循C语言的调用约定。OpenGL开发资料可参考文献[1]和参考文献[2]。
　图形处理器(GPU)原本是处理计算机图形的专用设备，近十年来，由于高清晰度复杂图形实时处理的需求，GPU发展成为高并行度、多线程、多核的处理器。目前，主流GPU的运算能力已超过主流通用CPU，从发展趋势上来看将来差距会越拉越大。为了合理地利用GPU 资源，CUDA(统一计算设备架构)应运而生。CUDA是一种由NVIDIA推出的通用并行计算架构[3]，该架构使GPU能够解决复杂的计算问题，并且由于CUDA编程语言基于标准的C语言，从而大大提高了可编程性。
CUDA和OpenGL互操作的基本方式是使用CUDA生成数据，然后使用OpenGL在屏幕上绘制出数据所表示的图形。两者的结合可以通过两种方式来实现：
　(1)使用OpenGL的PBO(像素缓冲区对象)。在该方式下，CUDA直接生成像素数据，OpenGL显示这些像素；
　(2)使用OpenGL的VBO(顶点缓冲区对象)。在该方式下，CUDA生成顶点网格数据，OpenGL可以根据需要绘制出平滑的表面图或线框图或一系列顶点。
这两种方式的核心都是利用cudaGLMapBufferObject函数将OpenGL的缓冲区映射到CUDA的内存空间上，这样，程序员就可以充分利用CUDA的优点写出性能高的程序在该内存空间上生成数据，这些数据不需要传送，OpenGL可以直接使用。如果不使用CUDA，这些数据需要由CPU来计算产生。一方面，CPU的计算速度通常比GPU慢；另一方面，这些数据需要传送到GPU上以供OpenGL显示使用。鉴于此，当数据量很大时，CUDA和OpenGL的混合使用效果明显。
2 CUDA和OpenGL互操作的过程[4]
　CUDA和OpenGL互操作具体步骤如下：
　(1)创建窗口及OpenGL运行环境。
　(2)设置OpenGL视口和坐标系。要根据绘制的图形是2D还是3D等具体情况设置。(1)和(2)是所有OpenGL程序必需的，这里也没什么特殊之处，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，所以在这里需要进行版本检查。
　(3)创建CUDA环境。可以使用cuGLCtxCreate或cudaGLSetGLDevice来设置CUDA环境。该设置一定要放在其他CUDA的API调用之前。
　(4)产生一个或多个OpenGL缓冲区用以和CUDA共享。使用PBO和使用VBO差不多，只是有些函数调用参数不同。以下是具体过程。
　GLuint bufferID；
　glGenBuffers(1，&bufferID)；//产生一个buffer ID
　glBindBuffer(parameter1，bufferID)；
　//将其设置为当前非压缩缓冲区，如果是PBO方式，parameter1设置为GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER，如果
　是VBO方式，parameter1设置为GL_ARRAY_BUFFER
　glBufferData(parameter1，parameter2，NULL，GL_DYNAMIC _COPY)；
　//给该缓冲区分配数据，PBO方式下，parameter1设置为GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER，parameter1设置为图像的长度*宽度*4。VBO方式下，parameter1设置为GL_ARRAY_BUFFER，parameter2设置为顶点数*16，因为每个顶点包含3个浮点坐标(x，y，z)和4个颜色字节(RGBA)，这样一个顶点包含16 B
　(5)用CUDA登记缓冲区。登记可以使用cuGLRegisterBufferObject或cudaGLRegisterBufferObject，该命令告诉OpenGL和CUDA 驱动程序该缓冲区为二者共同使用。
　(6)将OpenGL缓冲区映射到CUDA内存。可以使用cuGLMapBufferObject或cudaGLMapBufferObject，它实际是将CUDA内存的指针指向OpenGL的缓冲区，这样如果只有一个GPU，就不需要数据传递。当映射完成后，OpenGL不能再使用该缓冲区。
　(7)使用CUDA往该映射的内存写图像数据。前面的准备工作在这里真正发挥作用了，此时可以调用CUDA的kernel，像使用全局内存一样使用映射了的缓冲区，向其中写数据。
　(8)取消OpenGL缓冲区映射。要等前面CUDA的活动完成以后，使用cuGLUnmapBufferObject或cudaGLUnmapBufferObject函数取消映射。
　(9)前面的步骤完成以后就可以真正开始绘图了， OpenGL的PBO和VBO的绘图方式不同，分别为以下两个过程。
　①如果只是绘制平面图形，需要使用OpenGL的PBO及纹理。
　glEnable(GL_TEXTURE_2D)； //使纹理可用
　glGenTextures(1，&textureID)； //生成一个textureID
　glBindTexture(GL_TEXTURE_2D，textureID)；
　//使该纹理成为当前可用纹理
　glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D，0，GL_RGBA8，Width， Height，0，GL_BGRA，GL_UNSIGNED_BYTE，NULL)；
　//分配纹理内存。最后的参数设置数据来源，这里设置为NULL，表示数据来自PBO，不是来自主机内存
　glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D，GL_TEXTURE_MIN _FILTER，GL_LINEAR)；
　glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D，GL_TEXTURE_MAG_ FILTER，GL_LINEAR)；//必须设置滤波模式，GL_LINEAR允许图形伸缩时线性差值。如果不需要线性差值，可以用GL_TEXTURE_RECTANGLE_ARB代替GL_TEXTURE_2D以提高性能，同时在glTexParameteri()调用里使用GL_NEAREST替换GL_LINEAR
　然后就可以指定4个角的纹理坐标，绘制长方形了。
　②绘制3D场景，需要使用VBO。
glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY)；
//使顶点和颜色数组可用
glEnableClientState(GL_COLOR_ARRAY)；
glVertexPointer(3，GL_FLOAT，16，0)；
//设置顶点和颜色指针
glColorPointer(4，GL_UNSIGNED_BYTE，16，12)；
glDrawArrays(GL_POINTS，0，numVerticies)；
//根据顶点数据绘图，参数可以使用GL_LINES， GL_LINE_STRIP， GL_LINE_LOOP， GL_TRIANGLES，GL_TRIANGLE_STRIP， GL_TRIANGLE_FAN， GL_QUADS，GL_QUAD_STRIP，GL_POLYGON
(10)前后缓存区来回切换，实现动画显示效果。调用SwapBuffers()，缓冲区切换通常会在垂直刷新间隙来处理，因此，可以在控制面板上关掉垂直同步，使得缓冲区切换立刻进行。
3 CUDA和OpenGL互操作性能实例分析
3.1 测试实例