基于基元重啟的OpenGL和CUDA圖形渲染算法探索

劉敏娜 李延香 魏浩

摘要：針對OpenGL渲染圖形要多次訪問緩存區(qū)的問題，提出一種OpenGL和CUDA混合編程的圖形渲染算法來加速PerlinKernel生成虛擬地形圖。首先，通過OpenGL將緩存映射到CUDA內(nèi)存空間，利用CUDA完成加速計算任務(wù)；然后，為幾何圖形設(shè)置開始和結(jié)束的位置標(biāo)志，使用基元重啟對圖形進(jìn)行組合；最后，對緩沖區(qū)對象進(jìn)行渲染。實驗結(jié)果表明，改進(jìn)后的基于基元重啟的混合算法在GTX650GPU上的平均幀速率為960fps，幀速率提高6%，算法改進(jìn)后渲染方法的執(zhí)行效率提高了63倍。實驗證實基元重啟可以提高3D處理性能。

關(guān)鍵詞：圖形渲染；OpenGL；CUDA；基元重啟；Perlin

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1引言

圖形渲染在核試驗、DNA分子分布、天氣預(yù)報等大規(guī)模科學(xué)計算任務(wù)中扮演著重要的角色[1，2]。在OpenGL中圖形渲染是由CPU進(jìn)行單獨完成的，CPU從RAM中獲得數(shù)據(jù)并且處理數(shù)據(jù)，然后寫入RAM中[3]。這樣做性能并不高，原因如下：①CPU的負(fù)載重而導(dǎo)致響應(yīng)速度慢，影響渲染速度和質(zhì)量；②圖形渲染中使用了multiDraw（）方法，繪圖開銷過大。multiDraw（）用一條命令代替了多條glDraw*（）方法，但是使用這個方法，導(dǎo)致頂點數(shù)組擴大了1/2，大量的冗余數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺PU中，造成極大的開銷[4-7]。

本文提出了一種CUDA和OpenGL混合圖形渲染的方法。CUDA（ComputeUnifiedDeviceArchitecture），是NVIDIA顯卡廠商推出的通用并行計算架構(gòu)，該架構(gòu)使GPU能夠解決復(fù)雜的計算問題[8-10]。在本文中，為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸效率，圖形渲染中引入了基元重啟，使用基元重啟可以對幾何圖形進(jìn)行組合，組合之后，需要處理的集合圖形數(shù)據(jù)更少，系統(tǒng)運行速度更快。

2.1傳統(tǒng)的OpenGL圖形渲染

OpenGL中的頂點，顏色，法線和其它頂點屬性數(shù)據(jù)都是由GLTools庫管理的。每次調(diào)用glDrawArrays、glDrawElements等一些需要頂點數(shù)據(jù)的函數(shù)時，信息是從一個帶有本地GPU的高性能系統(tǒng)中的應(yīng)用程序內(nèi)存中獲取的，數(shù)據(jù)將從應(yīng)用程序的內(nèi)存中通過PCI-Express接口總線傳遞到GPU本地內(nèi)存[11]，將會耗費大量時間，降低應(yīng)用程序的運行速度。

如果將對象的所有頂點數(shù)據(jù)打包到單個緩沖區(qū)中，程序中必定包含循環(huán)，會產(chǎn)生很多OpenGL調(diào)用，每次調(diào)用都會有一定的系統(tǒng)開銷。如果場景中存在大量對象，每個對象都有相關(guān)的三角形，那么對glDrawArrays的調(diào)用中的開銷將會積累，從而對應(yīng)用程序性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

為了提高系統(tǒng)的處理效率，可以將大批非連接的三角形組合成三角形帶，如圖1所示。本來獨立的三角型需要3個頂點才能進(jìn)行表示，經(jīng)過組合之后每個三角形所需的頂點數(shù)減少到1個（不包含三角形帶中的第一個三角形）。這樣需要處理的集合數(shù)據(jù)更少了，系統(tǒng)運行速度會更快。

但是問題是，一個三角形可以通過單次調(diào)用glDrawArrays或者glDrawElements進(jìn)行渲染，一組三角形帶的渲染就要單獨對OpenGL進(jìn)行多次調(diào)用，這意味著在一個使用條帶化集合圖形的程序中有更多的函數(shù)，這可能會抵消使用條帶化所獲得的性能提升。所以針對條帶化處理應(yīng)該有更好的方法來提高系統(tǒng)的性能，文中提出了基元重啟算法。

2.2基元重啟

基元重啟是設(shè)定一個可以被OpenGL狀態(tài)機識別的數(shù)據(jù)值，該數(shù)據(jù)值用于標(biāo)識當(dāng)前圖形圖元已經(jīng)繪制完成。下一個數(shù)據(jù)項表示同樣類型的另一個圖形圖元開始。基元重啟應(yīng)用在GL_TRIANGLE_TRIP、GL_TRIANGLE_FAN、GL_LINE_STRIP和GL_LINE_LOOP幾何圖形類型中。方法在一個條帶（或者扇，環(huán)）結(jié)束和另一個開始時通知OpenGL。在幾何圖形中指示出一個條帶結(jié)束，下一個條帶的開始位置，實現(xiàn)時需要在元素數(shù)組中放置一個作為保留值的特殊標(biāo)志。由于OpenGL是從元素數(shù)組中獲取頂點索引（或者在內(nèi)部生成它們），在glDrawArrays非索引繪制命令情況下，會檢查這個特殊索引值，并且在遇到它時結(jié)束當(dāng)前條帶并在下一個頂點開始一個新的條帶。在基元重啟模式開啟時，OpenGL會在遇到它時停止當(dāng)前的條帶并開始一個新的條帶。

如圖2所示，三角形帶由9個頂點組成，在單個連接的三角形帶中一共產(chǎn)生了8個三角形。通過開啟基元重啟模式并將基元重啟索引設(shè)置為5，三角形帶會在頂點4處結(jié)束，如圖3所示。頂點5的實際位置將被忽略，下一個進(jìn)行處理的頂點6將稱為新的三角形帶的起始位置。所以，在向OpenGL傳遞9個頂點的情況下，得到兩個獨立的三角形帶，一個繪制3個三角形，另一個繪制2個三角形。這樣一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量就增加了。

基元重啟的好處：

1）基元重啟的標(biāo)記值和繪圖的數(shù)據(jù)可同時生成并存放于GPU上。

2）不同基元重啟標(biāo)記值可以指定不同數(shù)量的繪圖元素，可通過給glDrawElements（）指定不同的繪圖模式，繪制任意數(shù)量的線段、三角條帶、三角扇面等圖形，所以可以繪制不規(guī)則的網(wǎng)格或表面。

3）通過安排索引可以優(yōu)化渲染性能，達(dá)到在紋理單元中最大限度重用數(shù)據(jù)高速緩存。

2.3基于基元重啟的OpenGL和CUDA圖形渲染的實現(xiàn)

采用Perlin噪聲生成器創(chuàng)建虛擬地形的立體地圖[12]，通過按鍵命令改變地形特征。框架分成4個獨立的文件，分別如下：

1）kernelVBO.cpp，CUDA數(shù)據(jù)生成器；

2）simpleGLmain.cpp，定義OpenGL和GLUT的主體框架；

3）simpleVBO.cpp，是通用的OpenGL與CUDA設(shè)置以及內(nèi)存管理；

4）callbackVBO.cpp，用于定義鍵盤，鼠標(biāo)，顯示的回調(diào)函數(shù)。

kernelVBO

kernelVBO的處理流程如下：

1）指定Perlin噪聲計算中使用的頭文件、變量和方法；

2）colorElevation（）方法根據(jù)地形各點的海拔返回像素的顏色，選用不同顏色可以為用戶呈現(xiàn)一種觀看地圖的感覺；

3）錯誤檢查函數(shù)；

4）k_perlin（）函數(shù)利用Perlin噪聲生成地形圖，將低于海平面的區(qū)域的高度設(shè)為0。調(diào)用cudaThreadSynchronize（），主機刷新OpenGL緩沖區(qū)需要等待Kernel執(zhí)行完畢。

simpleGLmain

simpleGLmain用來在屏幕上打開一個窗口，并設(shè)置一些基本的視角變換參數(shù)。調(diào)用gluPerspective（），在三維空間中設(shè)置一個攝像機，從該攝像機的位置觀察CUDA生成的數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)或視角位置發(fā)生變化時，OpenGL會識別和刷新顯示像素。

渲染需要進(jìn)行如下3D變換：

[1]視角變換，場景中攝像機的安放與定點；

[2]模型變換，安排場景構(gòu)成；

[3]投影變換，調(diào)整攝像機的變焦；

[4]可視區(qū)變換選擇最終的尺寸。

OpenGL的視角、模型、投影、可視區(qū)變換，以及坐標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)定都要慎重。

simpleGLmain處理流程：

1）main函數(shù)初始化用于計算幀速率的定時器，然后調(diào)用用戶自定義的方法初始化CUDAKernel，然后注冊用戶的回調(diào)函數(shù)，最后調(diào)用GLUT主循環(huán)；

2）計算幀速率，并將其顯示在窗口的標(biāo)題欄中；

3）GLUT和OpenGL初始化函數(shù)創(chuàng)建一個窗口，并在3D空間中指定一個視角位置。

simpleVBO

simpleVBO的算法如下：

1）定義創(chuàng)建和映射色彩信息PBO和頂點VBO的邏輯。

2）creatVBO（）調(diào)用glBufferData（），在GPU上分配圖形緩存區(qū)。GL_DYNAMIC_DRAW標(biāo)志位告知OpenGL該數(shù)據(jù)存儲會被重復(fù)修改與使用。cudaGraphicsGLRegisterBuffer（）將緩沖對象注冊為CUDA可訪問數(shù)據(jù)。deleteVBO（）方法將OpenGL緩沖對象解除注冊并釋放對應(yīng)的存儲空間。

3）runCUDA（）完成所有色彩PBO的與頂點VBO的映射和檢索指針。地址傳給lauch_kernel（）方法，并被用戶自定義的Kernel使用。Lanuch_kernel（）在返回之前會等待所有的Kernel執(zhí)行完畢，因此該方法返回時可以安全交回OpenGL資源。

使用基元重啟渲染三角形時，通過glPrimituveRestartIndexNV（）方法告知OpenGL狀態(tài)機重啟的標(biāo)記值，然后在OpenGL客戶狀態(tài)機上啟動基元重啟功能。調(diào)用glDrawElement（）渲染數(shù)據(jù)。當(dāng)渲染結(jié)束，在OpenGL狀態(tài)機上關(guān)閉基元重啟。

3實驗結(jié)果及性能分析

實驗平臺為Intel2.3GHzCore2雙核處理器，圖形加速器為NVIDIA公司的GTX650，核心頻率為1000MHz，顯存頻率為4500MHz，顯存位寬為128b，顯存為1024MB，操作系統(tǒng)為Linux，運行的是PerlinKernel生成虛擬地形圖的示例。驅(qū)動程序的版本號是9.18.13.2057，總線采用PCIExpress3.0x16接口。應(yīng)用程序在VS2010環(huán)境編譯及執(zhí)行，采用CUDA平臺GPU設(shè)備編寫kernel程序，程序使用擴展的C語言編寫。

表1中的數(shù)據(jù)代表在最差情況幀速率方案中，程序混合使用CUDA和OpenGL所展示的能力和速度。實際的應(yīng)用程序僅會重新計算渲染場景所必需的最小數(shù)據(jù)量，顯然會獲得更高的性能。幀速率包含了重新計算每個頂點3D坐標(biāo)和顏色的時間，以及圖像中每個像素顏色所需要的時間。

在ParallelNsight中查看程序執(zhí)行時間，PerlinKernel只消耗了很短的（幾乎可以忽略不計的）執(zhí)行時間，執(zhí)行的時間主要耗費在OpenGL的緩沖交換，需要多次進(jìn)行緩沖數(shù)據(jù)交換。

在ParallelNsight中查看OpenGLAPI函數(shù)調(diào)用的情況，得到各種渲染方法的執(zhí)行時間：基元重啟，大約30μs，multidraw大約1900μs，逐一繪制各扇形：大約1000000μs。執(zhí)行時間雷達(dá)圖如下圖5所示。因為基元重啟減少了PCIe總線上的數(shù)據(jù)傳輸，避免了數(shù)據(jù)傳輸對性能的影響，因此使用基元重啟比使用優(yōu)化的OpenGL的multiDraw（）方法性能要高出1900/30=63倍。

4結(jié)語

本文研究了基于基元重啟的OpenGL和CUDA圖形渲染算法，在OpenGL和CUDA之間實現(xiàn)互操作的原理，OpenGL將內(nèi)存映射入CUDA內(nèi)存之后，利用CUDA進(jìn)行并行處理。但是如果兩者之間的數(shù)據(jù)需要頻繁交換，一定程度上會降低執(zhí)行效率。通過在傳輸數(shù)據(jù)上設(shè)置基元重啟標(biāo)志，一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息量大了，這樣降低了數(shù)據(jù)的交換次數(shù)，提高了處理的速度。從實驗結(jié)果上分析，采用OpenGL和CUDA混合編程改寫Perlin噪聲生成的人工地形程序比使用優(yōu)化的OpenGLMultiDraw（）方法性能有了大幅度的提高。接下來需要解決的問題是OpenGL和CUDA混合編程實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攝像頭的現(xiàn)場視頻流處理。

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