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(duì)OpenGL渲染圖形要多次訪問(wèn)緩存區(qū)的問(wèn)題，提出一種OpenGL和CUDA混合編程的圖形渲染算法來(lái)加速PerlinKernel生成虛擬地形圖。首先，通過(guò)OpenGL將緩存映射到CUDA內(nèi)存空間，利用CUDA完成加速計(jì)算任務(wù)；然后，為幾何圖形設(shè)置開(kāi)始和結(jié)束的位置標(biāo)志，使用基元重啟對(duì)圖形進(jìn)行組合；最后，對(duì)緩沖區(qū)對(duì)象進(jìn)行渲染。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)證實(shí)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(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

圖形渲染在核試驗(yàn)、DNA分子分布、天氣預(yù)報(bào)等大規(guī)?？茖W(xué)計(jì)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(dú)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(kāi)銷過(guò)大。multiDraw（）用一條命令代替了多條glDraw*（）方法，但是使用這個(gè)方法，導(dǎo)致頂點(diǎn)數(shù)組擴(kuò)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(kāi)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(jì)算架構(gòu)，該架構(gòu)使GPU能夠解決復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)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(duì)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(yùn)行速度更快。

2.1傳統(tǒng)的OpenGL圖形渲染

OpenGL中的頂點(diǎn)，顏色，法線和其它頂點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)都是由GLTools庫(kù)管理的。每次調(diào)用glDrawArrays、glDrawElements等一些需要頂點(diǎn)數(shù)據(jù)的函數(shù)時(shí)，信息是從一個(gè)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(guò)PCI-Express接口總線傳遞到GPU本地內(nèi)存[11]，將會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，降低應(yīng)用程序的運(yùn)行速度。

如果將對(duì)象的所有頂點(diǎn)數(shù)據(jù)打包到單個(gè)緩沖區(qū)中，程序中必定包含循環(huán)，會(huì)產(chǎn)生很多OpenGL調(diào)用，每次調(diào)用都會(huì)有一定的系統(tǒng)開(kāi)銷。如果場(chǎng)景中存在大量對(duì)象，每個(gè)對(duì)象都有相關(guān)的三角形，那么對(duì)glDrawArrays的調(diào)用中的開(kāi)銷將會(huì)積累，從而對(duì)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(lái)獨(dú)立的三角型需要3個(gè)頂點(diǎn)才能進(jìn)行表示，經(jīng)過(guò)組合之后每個(gè)三角形所需的頂點(diǎn)數(shù)減少到1個(gè)（不包含三角形帶中的第一個(gè)三角形）。這樣需要處理的集合數(shù)據(jù)更少了，系統(tǒng)運(yùn)行速度會(huì)更快。

但是問(wèn)題是，一個(gè)三角形可以通過(guò)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(dú)對(duì)OpenGL進(jìn)行多次調(diào)用，這意味著在一個(gè)使用條帶化集合圖形的程序中有更多的函數(shù)，這可能會(huì)抵消使用條帶化所獲得的性能提升。所以針對(duì)條帶化處理應(yīng)該有更好的方法來(lái)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(gè)可以被OpenGL狀態(tài)機(jī)識(shí)別的數(shù)據(jù)值，該數(shù)據(jù)值用于標(biāo)識(shí)當(dāng)前圖形圖元已經(jīng)繪制完成。下一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)表示同樣類型的另一個(gè)圖形圖元開(kāi)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(gè)條帶（或者扇，環(huán)）結(jié)束和另一個(gè)開(kāi)始時(shí)通知OpenGL。在幾何圖形中指示出一個(gè)條帶結(jié)束，下一個(gè)條帶的開(kāi)始位置，實(shí)現(xiàn)時(shí)需要在元素?cái)?shù)組中放置一個(gè)作為保留值的特殊標(biāo)志。由于OpenGL是從元素?cái)?shù)組中獲取頂點(diǎn)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(huì)檢查這個(gè)特殊索引值，并且在遇到它時(shí)結(jié)束當(dāng)前條帶并在下一個(gè)頂點(diǎn)開(kāi)始一個(gè)新的條帶。在基元重啟模式開(kāi)啟時(shí)，OpenGL會(huì)在遇到它時(shí)停止當(dāng)前的條帶并開(kāi)始一個(gè)新的條帶。

如圖2所示，三角形帶由9個(gè)頂點(diǎn)組成，在單個(gè)連接的三角形帶中一共產(chǎn)生了8個(gè)三角形。通過(guò)開(kāi)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(huì)在頂點(diǎn)4處結(jié)束，如圖3所示。頂點(diǎn)5的實(shí)際位置將被忽略，下一個(gè)進(jìn)行處理的頂點(diǎn)6將稱為新的三角形帶的起始位置。所以，在向OpenGL傳遞9個(gè)頂點(diǎn)的情況下，得到兩個(gè)獨(dú)立的三角形帶，一個(gè)繪制3個(gè)三角形，另一個(gè)繪制2個(gè)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(shí)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(guò)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(guò)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(shí)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(guò)按鍵命令改變地形特征。框架分成4個(gè)獨(dú)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(jì)算中使用的頭文件、變量和方法；

2）colorElevation（）方法根據(jù)地形各點(diǎn)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(jué)；

3）錯(cuò)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(jī)刷新OpenGL緩沖區(qū)需要等待Kernel執(zhí)行完畢。

simpleGLmain

simpleGLmain用來(lái)在屏幕上打開(kāi)一個(gè)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(gè)攝像機(jī)，從該攝像機(jī)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(shí)，OpenGL會(huì)識(shí)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(chǎng)景中攝像機(jī)的安放與定點(diǎn)；

[2]模型變換，安排場(chǎng)景構(gòu)成；

[3]投影變換，調(diào)整攝像機(jī)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(jì)算幀速率的定時(shí)器，然后調(diào)用用戶自定義的方法初始化CUDAKernel，然后注冊(cè)用戶的回調(diào)函數(shù)，最后調(diào)用GLUT主循環(huán)；

2）計(jì)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(gè)窗口，并在3D空間中指定一個(gè)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(diǎn)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(chǔ)會(huì)被重復(fù)修改與使用。cudaGraphicsGLRegisterBuffer（）將緩沖對(duì)象注冊(cè)為CUDA可訪問(wèn)數(shù)據(jù)。deleteVBO（）方法將OpenGL緩沖對(duì)象解除注冊(cè)并釋放對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間。

3）runCUDA（）完成所有色彩PBO的與頂點(diǎn)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(huì)等待所有的Kernel執(zhí)行完畢，因此該方法返回時(shí)可以安全交回OpenGL資源。

使用基元重啟渲染三角形時(shí)，通過(guò)glPrimituveRestartIndexNV（）方法告知OpenGL狀態(tài)機(jī)重啟的標(biāo)記值，然后在OpenGL客戶狀態(tài)機(jī)上啟動(dòng)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(jī)上關(guān)閉基元重啟。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及性能分析

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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L(zhǎng)inux，運(yùn)行的是PerlinKernel生成虛擬地形圖的示例。驅(qū)動(dòng)程序的版本號(hào)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(tái)GPU設(shè)備編寫kernel程序，程序使用擴(kuò)展的C語(yǔ)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(shí)際的應(yīng)用程序僅會(huì)重新計(jì)算渲染場(chǎng)景所必需的最小數(shù)據(jù)量，顯然會(huì)獲得更高的性能。幀速率包含了重新計(jì)算每個(gè)頂點(diǎn)3D坐標(biāo)和顏色的時(shí)間，以及圖像中每個(gè)像素顏色所需要的時(shí)間。

在ParallelNsight中查看程序執(zhí)行時(shí)間，PerlinKernel只消耗了很短的（幾乎可以忽略不計(jì)的）執(zhí)行時(shí)間，執(zhí)行的時(shí)間主要耗費(fèi)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(shí)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(shí)間雷達(dá)圖如下圖5所示。因?yàn)榛貑p少了PCIe總線上的數(shù)據(jù)傳輸，避免了數(shù)據(jù)傳輸對(duì)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(yǔ)

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(shí)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(huì)降低執(zhí)行效率。通過(guò)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(shí)驗(yàn)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(lái)需要解決的問(wèn)題是OpenGL和CUDA混合編程實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攝像頭的現(xiàn)場(chǎng)視頻流處理。

參考文獻(xiàn)

[1]張權(quán).渲染技術(shù)在虛擬仿真中的應(yīng)用[J].電子制作，2015，（09）：62-63.

[2]QIAOShaojie，WANGYouwei，NIShengqiao.HighspeedimagerenderingmethodbasedonOpenGL[J].ComputerEngineeringandDesign，2011，47（21）：47-49.（喬少杰，王有為，倪勝巧.基于OpenGL的快速圖像渲染方法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2008，25（5）：1589-1595.）

[3]孫曉潔，葉樺，費(fèi)樹(shù)岷.基于OpenGL的混凝土泵車智能臂架系統(tǒng)仿真[J].科技通報(bào)，2014（05）：22-25.

[4]吳恩華.輻射度技術(shù)用于隨機(jī)分維幾何面的全局光照計(jì)算[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2000，（05）：321-323.

[5]ZHAOJianbin，LILingqiao，YANGHuihua.Researchongraphicrenderingenginewiththreadlevelparallelismmethod[J].ComputerEngineeringandDesign，2011，47（21）：47-49.（趙建斌，李靈巧，楊輝華.線程級(jí)并行計(jì)算在圖形渲染引擎中的研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011，32（12）：4143-4147.

[6]RICHARDS.WRIGHT，JR.NicholasHaemel.OpenGlSuperBibleFifthEdition[M].北京：人民郵電出版社，2012：380-420.

[7]李妮，陳錚，龔光紅.多核并行計(jì)算技術(shù)在景象匹配仿真中的應(yīng)用[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2010，32（2）：428-432.

[8]張林波，遲學(xué)斌，莫?jiǎng)t堯，等.并行計(jì)算導(dǎo)論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006：1-59.

[9]RobFarber.CUDAApplicationDesignandDevelopment[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：178-185.

[10]GORDERPF.Multicoreprocessorsforscienceandengineering[J].ComputinginScience&Engineering，2007，9（2）：3-7.

[11]NVIDIACUDAProgrammingGuide，version2.1[S].NVIDIA，2008.

[12]項(xiàng)予，許森.基于Perlin噪聲的動(dòng)態(tài)水面實(shí)時(shí)渲染[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2013，34（11）：3966-3969.

第35卷第1期2016年3月計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化ComputingTechnologyandAutomationVol35，No1Mar.2016第35卷第1期2016年3月計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化ComputingTechnologyandAutomationVol35，No1Mar.2016