40、高性能计算：GPU 着色器编程与图像处理优化

高性能计算：GPU 着色器编程与图像处理优化

1. 着色器基础

1.1 顶点着色器与片段着色器概述

在图形处理中，顶点着色器和片段着色器是两个关键组件。顶点着色器对多边形的顶点进行操作，运行于顶点处理器上；片段着色器则处理多边形和图像的小部分，在片段处理器上执行。

两种着色器都可以用着色器语言编写程序，它们语法相同，但特性和用途不同。顶点着色器用于顶点变换（如亮度、颜色）、操作法向量、生成和变换纹理坐标以及应用逐顶点光照，每次只处理一个顶点。片段着色器可进行插值、应用纹理、确定雾和模糊效果以及透明度等，能利用相邻多个像素，在图像处理中非常有价值，可执行卷积、距离计算和连通性判断等操作。而且，由于顶点是多边形的构建块，顶点着色器可以向片段着色器发送数据。

1.2 着色器程序的编译与参数传递

着色器程序以字符串形式存在，在主机 OpenGL 程序执行时进行编译。用户程序将着色器代码作为字符串，作为参数传递给着色器“编译器”。编译后的着色器程序可以重复执行，直到程序结束，下次主程序运行时会重新编译。

参数通过调用函数传递给着色器程序，这些函数将参数存储在固定位置。着色器知道在哪里查找传递的值，并通过另一个简单的函数调用进行访问。

1.3 顶点着色器与片段着色器代码示例

顶点着色器

void main()
{
    gl_Position = ftransform ();
}

上述代码中， ftransform 函数对顶点坐标进行几何视图变换，该变换由程序员构建的 OpenGL 矩阵栈定义。也可以使用以下等效方式：

void main()
{
    gl_Position = gl_ModelViewProjectionMatrix * gl_Vertex;
}

GLSL 的内置变量 gl_Position 用于将变换后的坐标传递给流水线的下一阶段。没有引用 gl_Position 的顶点着色器将无法编译。

片段着色器

void main()
{
    gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
}

此代码将完全饱和的红色写入像素，颜色值范围在 0.0 到 1.0 之间。片段着色器的基本目的是为渲染图像中的点分配颜色。

1.4 GLSL 初始化步骤

设置着色器的代码包括以下七个步骤：
1. 创建着色器对象 ：

GLuint vShader, fShader;
vShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
fShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);

2. 读取源代码并保存为字符串 ：

vSource = readShader("C:\\AIPCV\\chap11\\convolve.vert");
glShaderSource(vShader, 1, (const GLchar **)(&vSource), NULL);

3. 编译顶点着色器 ：

glCompileShader(vShader);

4. 检查编译错误 ：

glGetShaderiv (vShader, GL_COMPILE_STATUS, &flag);
if(flag == GL_FALSE)
{
    printf ("Vertex shader program failed to compile.\n");
    log = (char *)malloc (2048);
    glGetShaderInfoLog (vShader, 2048, &siz, log);
    printf ("LOG: %s", log);
    free(log);
    exit(0);
}

5. 创建程序对象并附加着色器对象 ：

program = glCreateProgram();
glAttachShader(program, fShader);
glAttachShader(program, vShader);

6. 链接着色器 ：

glLinkProgram(program);

7. 指定活动着色器程序 ：

glUseProgram(program);

主 C/C++ 程序可以在运行时切换着色器程序，甚至可以由用户控制。

1.5 读取和转换图像

处理图像时，需要从文件中读取图像并将其存储为 OpenGL 纹理，具体步骤如下：
1. 读取图像 ：

image = cvLoadImage(name, 1);
Width = image->width; Height = image->height;

2. 分配纹理像素内存 ：

targetImage = (GLubyte *)malloc (image->width*image->height*4);
p = targetImage;

3. 反转颜色字节并复制到新缓冲区 ：

for (i = 0; i < image->height; i++)
    for (j = 0; j < image->width; j++)
    {
        s = cvGet2D (image, i, j);
        *p++ = (GLubyte) s.val[2];
        *p++ = (GLubyte) s.val[1];
        *p++ = (GLubyte) s.val[0];
        //
        *p++ = (GLubyte) s.val[4]; // For RGBA textures
    }

4. 创建纹理 ID ：

GLuint textn;
glGenTextures(1, &textn);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textn);

5. 设置纹理参数 ：

glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, height, width, 0, GL_RGB,
             GL_UNSIGNED_BYTE, (const GLvoid *) targetImage);

6. 描述纹理图形属性 ：

glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);
glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);
glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);

1.6 向着色器程序传递参数

着色器程序中声明的某些变量，特别是统一变量，被定义为程序的输入参数。在着色器程序执行之前，主 C 程序会将值放入这些变量中。

例如，将图像大小传递给卷积程序：

// convolve2.frag 程序部分代码
varying vec2 TexCoord;
#define KERNEL_SIZE 9
float kernel [KERNEL_SIZE];
uniform sampler2D colorMap;
uniform float Width;
uniform float Height;
float dw, dh;
vec2 offset[KERNEL_SIZE];
void main (void)
{
    ....
}

主 C 程序设置传递浮点值的示例：

k = glGetUniformLocation(shaderProgram, "Width");
if (k<0) printf ("Error: Name 'Width' not found in shader program.\n", k);
glUniform1f(k, (float)Width);

对于 sampler2D 类型的变量，传递值的示例如下：

texLoc = glGetUniformLocation(shaderProgram, "colorMap");
printf ("Name 'colorMap' is at %d in shader program.\n", texLoc);
glUniform1i(texLoc, 0);

传递值 0 告诉着色器使用 GL_TEXTURE0 作为传递的纹理，对应于正在处理的图像。

1.7 图像锐化程序示例

以下是使用简单卷积滤波器锐化图像的程序步骤：
1. 设置 OpenGL GLUT 声明以打开窗口并显示图像，或使用其他工具显示图像。
2. 初始化 GLEW 工具，用于管理 OpenGL 库中的复杂代码。
3. 读取图像并将其设置为纹理。
4. 读取并初始化着色器程序。
5. 运行主循环 glutMainLoop ，将图像作为纹理映射到矩形上并显示在窗口中。在显示之前，着色器程序对所有像素进行操作。

1.8 GPU 加速效果

通过对程序 shader2 进行计时，对比 CPU 和 GPU 的执行时间，结果如下：
| 执行次数 | CPU 执行时间（秒） | GPU 执行时间（秒） |
| ---- | ---- | ---- |
| 第一次 | 0.612 | 0.0020 |
| 第二次 | 0.444 | 0.0022 |
| 第三次 | 0.534 | 0.0015 |

可以看出，在最坏情况下，GPU 比 CPU 快 200 多倍。GPU 计时似乎存在某种初始化效应，首次运行较慢，停止程序 30 分钟后再次运行会再次出现较长的执行时间，但长时间运行后平均时间远低于 0.002 秒。

1.9 着色器代码开发与测试

编写和测试着色器代码较为困难，因为它在主程序执行时编译，编译错误在读取图像后甚至显示后才被检测到，且不提供清晰的消息或运行时调试。不过，现在有一些着色器软件开发工具包（SDK），如 ShaderDesigner，它包含编辑器和运行时环境。使用这些工具，代码可以在窗口中输入并一键编译，编译错误可以在几秒钟内修复。

1.10 所需软件的获取与安装

所有讨论的软件都可以在互联网上免费下载。安装软件时，需要将包的包含文件目录和库文件目录添加到编译器搜索路径，将库文件（.lib）添加到库依赖项，并将 .dll 文件（在 PC 上）放置在 Windows 目录中。不同系统（如 Linux 和 Mac）的安装细节有所不同。

MPI 可以从 www.mcs.anl.gov/research/projects/mpich2/ 下载。

1.11 图像处理流程 mermaid 图

graph LR
    A[读取图像] --> B[转换为 OpenGL 纹理]
    B --> C[初始化着色器程序]
    C --> D[传递参数到着色器]
    D --> E[运行着色器程序处理图像]
    E --> F[显示处理后的图像]

1.12 着色器初始化步骤列表

1. 创建着色器对象
2. 读取源代码并保存为字符串
3. 编译顶点着色器
4. 检查编译错误
5. 创建程序对象并附加着色器对象
6. 链接着色器
7. 指定活动着色器程序

通过以上步骤和示例，我们可以看到 GPU 着色器编程在图像处理中的强大能力和高效性。在实际应用中，可以根据具体需求对代码进行修改和优化，以实现更复杂的图像处理任务。

2. 深入探讨着色器编程与图像处理

2.1 顶点着色器与片段着色器的协同工作

顶点着色器和片段着色器在整个图像处理流程中紧密协作。顶点着色器负责处理每个顶点的位置和相关属性，如颜色、法线等。它将处理后的顶点信息传递给片段着色器，片段着色器则根据这些信息计算每个像素的最终颜色。

例如，在一个三维场景中，顶点着色器会根据模型的变换矩阵将顶点从本地坐标系转换到裁剪坐标系。然后，这些经过变换的顶点会被光栅化，生成一系列的片段。片段着色器会对每个片段进行处理，计算其颜色、透明度等属性。

这种协同工作的方式使得我们可以实现复杂的图形效果，如光照、纹理映射、阴影等。以下是一个简单的示例，展示了顶点着色器如何将纹理坐标传递给片段着色器：

顶点着色器

attribute vec4 a_position;
attribute vec2 a_texCoord;
varying vec2 v_texCoord;

void main() {
    gl_Position = ftransform();
    v_texCoord = a_texCoord;
}

片段着色器

varying vec2 v_texCoord;
uniform sampler2D u_texture;

void main() {
    gl_FragColor = texture2D(u_texture, v_texCoord);
}

在这个示例中，顶点着色器将纹理坐标 a_texCoord 传递给片段着色器，片段着色器使用这个纹理坐标从纹理中采样颜色，并将其作为最终的像素颜色。

2.2 着色器编程的优化技巧

为了提高着色器程序的性能，我们可以采用以下优化技巧：

1. 减少计算量 ：尽量避免在着色器中进行复杂的计算，尤其是在片段着色器中。可以将一些计算提前到 CPU 上进行，然后将结果传递给着色器。
2. 使用纹理压缩 ：纹理是着色器程序中占用内存较大的部分。使用纹理压缩可以减少纹理的内存占用，提高纹理的加载速度。
3. 避免分支语句 ：分支语句（如 if-else 、 for 循环等）在 GPU 上的执行效率较低。尽量避免在着色器中使用复杂的分支语句。
4. 合理使用缓存 ：GPU 有自己的缓存机制，合理使用缓存可以提高数据的访问速度。例如，将频繁使用的数据存储在缓存中。

2.3 图像处理中的卷积操作

卷积是图像处理中常用的操作，如边缘检测、模糊、锐化等。在 GPU 上进行卷积操作可以大大提高处理速度。

以下是一个简单的卷积操作示例，使用一个 3x3 的卷积核：

// convolve2.frag 程序部分代码
varying vec2 TexCoord;
#define KERNEL_SIZE 9
float kernel [KERNEL_SIZE] = {-1, -1, -1, -1, 9, -1, -1, -1, -1};
uniform sampler2D colorMap;
uniform float Width;
uniform float Height;
float dw, dh;
vec2 offset[KERNEL_SIZE];

void main (void)
{
    dw = 1.0 / Width;
    dh = 1.0 / Height;
    offset[0] = vec2(-dw, -dh);
    offset[1] = vec2(0.0, -dh);
    offset[2] = vec2(dw, -dh);
    offset[3] = vec2(-dw, 0.0);
    offset[4] = vec2(0.0, 0.0);
    offset[5] = vec2(dw, 0.0);
    offset[6] = vec2(-dw, dh);
    offset[7] = vec2(0.0, dh);
    offset[8] = vec2(dw, dh);

    vec4 sum = vec4(0.0);
    for (int i = 0; i < KERNEL_SIZE; i++) {
        sum += texture2D(colorMap, TexCoord + offset[i]) * kernel[i];
    }
    gl_FragColor = sum;
}

在这个示例中，我们定义了一个 3x3 的卷积核，并在片段着色器中对每个像素进行卷积操作。

2.4 着色器编程的调试与错误处理

在编写着色器程序时，调试和错误处理是非常重要的。由于着色器程序在 GPU 上运行，调试起来比较困难。以下是一些调试和错误处理的方法：

1. 使用日志输出 ：在着色器中使用日志输出可以帮助我们了解程序的执行过程。例如，在片段着色器中输出中间结果。
2. 检查编译错误 ：在编译着色器程序时，检查编译错误日志可以帮助我们找出代码中的语法错误。
3. 逐步调试 ：可以逐步修改着色器代码，观察程序的输出变化，找出问题所在。

2.5 不同类型变量在着色器中的使用

在着色器编程中，有不同类型的变量，如 uniform 、 attribute 、 varying 等。它们的使用方式和作用各不相同。

• uniform ：统一变量，用于在 CPU 和 GPU 之间传递常量数据。例如，变换矩阵、纹理等。统一变量在整个着色器程序的执行过程中保持不变。
• attribute ：属性变量，用于传递每个顶点的属性数据。例如，顶点的位置、颜色、法线等。属性变量只能在顶点着色器中使用。
• varying ：可变变量，用于在顶点着色器和片段着色器之间传递数据。顶点着色器会对可变变量进行插值，然后传递给片段着色器。

以下是一个示例，展示了不同类型变量的使用：

// 顶点着色器
attribute vec4 a_position;
attribute vec2 a_texCoord;
uniform mat4 u_modelViewProjectionMatrix;
varying vec2 v_texCoord;

void main() {
    gl_Position = u_modelViewProjectionMatrix * a_position;
    v_texCoord = a_texCoord;
}

// 片段着色器
varying vec2 v_texCoord;
uniform sampler2D u_texture;

void main() {
    gl_FragColor = texture2D(u_texture, v_texCoord);
}

2.6 图像处理流程总结

整个图像处理流程可以总结为以下几个步骤：

1. 读取图像 ：从文件中读取图像数据。
2. 转换为 OpenGL 纹理 ：将图像数据转换为 OpenGL 纹理，以便在 GPU 上进行处理。
3. 初始化着色器程序 ：创建顶点着色器和片段着色器对象，读取源代码，编译并链接着色器程序。
4. 传递参数到着色器 ：将需要的参数（如纹理、图像大小等）传递给着色器程序。
5. 运行着色器程序处理图像 ：启动着色器程序，对图像进行处理。
6. 显示处理后的图像 ：将处理后的图像显示在窗口中。

2.7 图像处理流程 mermaid 图（详细版）

graph LR
    A[读取图像] --> B[转换为 OpenGL 纹理]
    B --> C1[创建顶点着色器对象]
    B --> C2[创建片段着色器对象]
    C1 --> D1[读取顶点着色器源代码]
    C2 --> D2[读取片段着色器源代码]
    D1 --> E1[编译顶点着色器]
    D2 --> E2[编译片段着色器]
    E1 --> F[创建程序对象]
    E2 --> F
    F --> G[附加着色器对象到程序对象]
    G --> H[链接着色器程序]
    H --> I[传递参数到着色器]
    I --> J[运行着色器程序处理图像]
    J --> K[显示处理后的图像]

2.8 总结与展望

通过以上的介绍，我们可以看到 GPU 着色器编程在图像处理中具有巨大的潜力。它可以大大提高图像处理的速度，实现复杂的图形效果。

在未来，随着 GPU 技术的不断发展，着色器编程将变得更加高效和强大。我们可以期待更多的应用场景，如实时视频处理、虚拟现实、增强现实等。同时，着色器编程的工具和开发环境也将不断完善，使得开发者可以更加轻松地进行开发和调试。

在实际应用中，我们需要根据具体的需求选择合适的着色器编程方法和优化技巧。通过不断的实践和学习，我们可以掌握着色器编程的精髓，实现更加出色的图像处理效果。

总之，GPU 着色器编程是一个充满挑战和机遇的领域，值得我们深入研究和探索。