GPU通用计算——从Hello GPGPU开始

最新推荐文章于 2024-07-28 01:07:09 发布

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本文介绍GPU通用计算(GPGPU)的基础知识，通过一个HelloGPGPU示例详细讲解了使用OpenGL和GLSL进行GPU编程的过程，包括初始化OpenGL、创建纹理、编写片段着色器等步骤。

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GPU通用计算——从Hello GPGPU开始

进几年来，GPU得到了飞速的发展，GPU已经可以处理 3D 图形以外的计算应用，从而大大减轻了 CPU 的负担，这就是 GPU 的通用计算，即 GPGPU （ General-Purpose computation on GPUs ）。本教程以一个 Hello GPGPU 为例，阐述其中的原理和开发步骤！

l 初始化OpenGL

在 main 函数中，首先需要调用的是初始化并创建窗口，在本例中，使用 GLUT 开发包， GLUT(OpenGLUtility Toolkit) 开发包提供了一组窗口函数，可以用来处理窗口事件。

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glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGBA);

glutInitWindowSize(512, 512);

glutCreateWindow( "Hello, GPGPU! (GLSL version)" );

glutIdleFunc(idle);

glutDisplayFunc(display);

glutReshapeFunc(reshape);

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接着调用 Initialize ，在这里，首先初始化 glew 库，并查询当前显卡是否支持必要的 OpenGL 扩展。并构造出 HelloGPGPU 对象。

// Initialize the "OpenGL Extension Wrangler" library

glewInit();

// Ensure we have the necessary OpenGL Shading Language extensions.

if (glewGetExtension( "GL_ARB_fragment_shader" ) != GL_TRUE ||

glewGetExtension( "GL_ARB_vertex_shader" ) != GL_TRUE ||

glewGetExtension( "GL_ARB_shader_objects" ) != GL_TRUE ||

glewGetExtension( "GL_ARB_shading_language_100" ) != GL_TRUE)

{

fprintf(stderr, "Driver does not support OpenGL Shading Language\n" );

exit(1);

}

// Create the example object

g_pHello = new HelloGPGPU(512, 512);

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在 HelloGPGPU 构造函数中，完成一系列的初始化工作。首先是生成一个 2D 纹理，用来保存数据。

glGenTextures(1, &_iTexture);

glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, _iTexture);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP);

glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA8, _iWidth, _iHeight, 0, GL_RGB, GL_FLOAT, 0);

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接下来进行 GLSL 初始化工作。到此所有的初始化工作基本上完成

_programObject = glCreateProgramObjectARB(); // 创建程序对象

// 创建片段着色器对象，这里没有创建顶点着色器对象，采用固定流水线

_fragmentShader = glCreateShaderObjectARB(GL_FRAGMENT_SHADER_ARB);

glShaderSourceARB(_fragmentShader, 1, &edgeFragSource, NULL); // 指定着色器源代码，这里 edgeFragSource 指定的字符串即为 GLSL Shader 代码

glCompileShaderARB(_fragmentShader); // 编译

glAttachObjectARB(_programObject, _fragmentShader); // 将片段着色器对象附加到程序对象上

// 连接程序对象，从而创建一个可以在可编程处理器上运行的程序

glLinkProgramARB(_programObject);

GLint progLinkSuccess;

glGetObjectParameterivARB(_programObject, GL_OBJECT_LINK_STATUS_ARB,

&progLinkSuccess); // 检查程序是否链接成功

if (!progLinkSuccess)

{

fprintf(stderr, "Filter shader could not be linked\n" );

exit(1);

}

// 返回一致变量 texUnit 的位置，以便在适当的地方进行设置

_texUnit = glGetUniformLocationARB(_programObject, "texUnit" );

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初始化完毕后，每一遍渲染之前需要更新数据，这在 update 函数中完成：

首先是旋转的角度以及当窗口大小发生变化时视口的及时更新：

_rAngle += 0.5f;

int vp[4];

glGetIntegerv(GL_VIEWPORT, vp);

glViewport(0, 0, _iWidth, _iHeight);

接下来是绘制一个 teapot 和 3 个 tori

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); // 清除颜色缓存

glMatrixMode(GL_MODELVIEW); // 下面准备要修改模型视点矩阵了 ……

glPushMatrix();

glRotatef(-_rAngle, 0, 1, 0.25);

glutSolidTeapot(0.5);

glPopMatrix();

glPushMatrix();

glRotatef(2.1 * _rAngle, 1, 0.5, 0);

glutSolidTorus(0.05, 0.9, 64, 64);

glPopMatrix();

glPushMatrix();

glRotatef(-1.5 * _rAngle, 0, 1, 0.5);

glutSolidTorus(0.05, 0.9, 64, 64);

glPopMatrix();

glPushMatrix();

glRotatef(1.78 * _rAngle, 0.5, 0, 1);

glutSolidTorus(0.05, 0.9, 64, 64);

glPopMatrix();

将上述的绘制结果拷贝到纹理 iTexture 中（在 Initialize 中已经初始化，这个纹理将作为参数传递给片段着色器进行处理），这时候纹理中存储的图像是填充效果的（如下图）。

glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, _iTexture);

glCopyTexSubImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, 0, 0, 0, 0, _iWidth, _iHeight);

接下来要调用片段着色器进行 filter 处理，只获取边界进行绘制。当调用 glBegin…glEnd 之间的语句进行渲染矩形时， GPU 中的片段处理器截获这些数据进行过滤操作，最后渲染到帧缓冲器。并卸载 GLSL 着色器。

glUseProgramObjectARB(_programObject);

glUniform1iARB(_texUnit, 0); // 使用纹理单元 0 来存放 2D 纹理，这里进行加载

glBegin(GL_QUADS);

{

glTexCoord2f(0, 0); glVertex3f(-1, -1, -0.5f);

glTexCoord2f(1, 0); glVertex3f( 1, -1, -0.5f);

glTexCoord2f(1, 1); glVertex3f( 1, 1, -0.5f);

glTexCoord2f(0, 1); glVertex3f(-1, 1, -0.5f);

}

glEnd();

glUseProgramObjectARB(0);

随后再次拷贝帧缓冲器中的结果到纹理 iTexture 中，此时已经提取了图像的轮廓边。

glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, _iTexture);

glCopyTexSubImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, 0, 0, 0, 0, _iWidth, _iHeight);

恢复视口

glViewport(vp[0], vp[1], vp[2], vp[3]);

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上面的整个流程其实就是：

现在我们有必要分析一下 GLSL 片段着色器代码是如何进行，这个 Shader 使用 Laplace 方法进行轮廓边检测，将当前象素的 RGBA 值减去相邻的 8 个象素的 RGBA 值的平均值，那么在 RGBA 值相近的区域内，这么做的结果使得该象素的 RGBA 值接近于 (0,0,0,0) ；而在边界附近， RGBA 值有明显的突变，这么做的结果使得该象素的 RGBA 值很大，这个象素正位于轮廓边上。关于轮廓边检测的文档以及代码可以参考： www.pages.drexel.edu/~weg22/edge.html 以及 http://www-scf.usc.edu/~flv/ipbook/chap07.htm

uniform sampler2D texUnit;

void main(void)

{

const float offset = 1.0 / 512.0;

vec2 texCoord = gl_TexCoord[0].xy; // 在纹理单元 0 中获得当前纹理坐标

vec4 c = texture2D(texUnit, texCoord); // 根据纹理坐标进行采样

vec4 bl = texture2D(texUnit, texCoord + vec2(-offset, -offset));

vec4 l = texture2D(texUnit, texCoord + vec2(-offset, 0.0));

vec4 tl = texture2D(texUnit, texCoord + vec2(-offset, offset));

vec4 t = texture2D(texUnit, texCoord + vec2( 0.0, offset));

vec4 ur = texture2D(texUnit, texCoord + vec2( offset, offset));

vec4 r = texture2D(texUnit, texCoord + vec2( offset, 0.0));

vec4 br = texture2D(texUnit, texCoord + vec2( offset, -offset));

vec4 b = texture2D(texUnit, texCoord + vec2( 0.0, -offset));

gl_FragColor = 8.0 * (c + -0.125 * (bl + l + tl + t + ur + r + br + b)); //8.0 用来增强轮廓边亮度

}

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最后在 display 函数中简单的将纹理中的图像绘制出来就可以了。 idle 函数中有 glutPostRedisplay(); 会激发 display 函数，并调用 HelloGPGPU 中的 update 函数和 display 函数，从而将保存在纹理中的数据绘制出来。

HelloGPGPU 中的 display 函数内容如下：

glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, _iTexture);

glEnable(GL_TEXTURE_2D);

glBegin(GL_QUADS);

{

glTexCoord2f(0, 0); glVertex3f(-1, -1, -0.5f);

glTexCoord2f(1, 0); glVertex3f( 1, -1, -0.5f);

glTexCoord2f(1, 1); glVertex3f( 1, 1, -0.5f);

glTexCoord2f(0, 1); glVertex3f(-1, 1, -0.5f);

}

glEnd();

glDisable(GL_TEXTURE_2D);

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from : http://blog.youkuaiyun.com/chenrongqin/archive/2007/04/12/1562312.aspx