摘  要： CUDA和OpenGL互操作的基本方式是使用CUDA生成數(shù)據(jù)，再利用OpenGL在屏幕上繪制出數(shù)據(jù)所表示的圖形,。兩者的結(jié)合可以通過使用OpenGL的PBO(像素緩沖區(qū)對象)或VBO(頂點緩沖區(qū)對象)兩種方式來實現(xiàn),。描述了CUDA和OpenGL互操作的步驟并展示了一個使用PBO的實例。該實例運行結(jié)果表明,，互操作的方式比單純使用OpenGL方式快了7~8倍。
關(guān)鍵詞： CUDA,；OpenGL,；像素緩沖區(qū)對象；頂點緩沖區(qū)對象

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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)。OpenGL在醫(yī)學(xué)成像,、地理信息,、石油勘探、氣候模擬以及娛樂動畫上有著廣泛應(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(fù)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(yīng)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(fù)雜的計算問題，并且由于CUDA編程語言基于標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(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,。
　GLuint bufferID；
　glGenBuffers(1,，&bufferID),；//產(chǎn)生一個buffer ID
　glBindBuffer(parameter1，bufferID),；
　//將其設(shè)置為當(dāng)前非壓縮緩沖區(qū),，如果是PBO方式，parameter1設(shè)置為GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER,，如果
　是VBO方式，parameter1設(shè)置為GL_ARRAY_BUFFER
　glBufferData(parameter1,，parameter2,，NULL，GL_DYNAMIC _COPY),；
　//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(biāo)(x，y,，z)和4個顏色字節(jié)(RGBA),，這樣一個頂點包含16 B
　(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?？梢允褂胏uGLMapBufferObject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(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,。
　glEnable(GL_TEXTURE_2D)； //使紋理可用
　glGenTextures(1,，&textureID),； //生成一個textureID
　glBindTexture(GL_TEXTURE_2D，textureID),；
　//使該紋理成為當(dāng)前可用紋理
　glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D,，0，GL_RGBA8,，Width,， Height，0,，GL_BGRA,，GL_UNSIGNED_BYTE，NULL),；
　//分配紋理內(nèi)存,。最后的參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)來源，這里設(shè)置為NULL,，表示數(shù)據(jù)來自PBO,，不是來自主機內(nèi)存
　glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D，GL_TEXTURE_MIN _FILTER,，GL_LINEAR),；
　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(biāo)，繪制長方形了,。
?、诶L制3D場景，需要使用VBO,。
glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY),；
//使頂點和顏色數(shù)組可用
glEnableClientState(GL_COLOR_ARRAY)；
glVertexPointer(3,，GL_FLOAT,，16，0),；
//設(shè)置頂點和顏色指針
glColorPointer(4,，GL_UNSIGNED_BYTE，16,，12),；
glDrawArrays(GL_POINTS，0,，numVerticies)；
//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：
void kernel(uchar4*pos,，unsigned int width,，unsigned int height，float time)
{ unsigned int index,，x,，y；
  for(x=0,；x<width,；x++)
    for(y=0；y<height,；y++)
    {   unsigned char r=(x+(int)time)&0xff,；
    unsigned char g=(y+(int)time)&0xff；
    unsigned char b=((x+y)+(int)time)&0xff,；
    index=x*width+y,；
    pos[index].w=0；
    pos[index].x=r,；
    pos[index].y=g,；
    pos[index].z=b；
     }
}
    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2 GB,。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(biāo)準(zhǔn),。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(xué)計算可視化提供了良好的模式架構(gòu)。
參考文獻
[1] WRIGHT R S,， LIPCHAK B,， HAEMEL N. 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/architecture-and-design/222600097.