曾升 謝鵬 張瑾

摘 要：近幾年計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展使得三維表現(xiàn)技術(shù)得以形成，三維表現(xiàn)技術(shù)使我們能夠再現(xiàn)三維世界中的物體，能夠用三維形體來(lái)表示復(fù)雜的信息，可視化技術(shù)賦予人們一種仿真的、三維的并且具有實(shí)時(shí)交互的能力，但是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形的處理技術(shù)計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，而CUDA是一種由NVIDIA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，顯著提高計(jì)算速度，文章對(duì)CUDA和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化做了探究。

【關(guān)鍵詞】CUDA OpenGL 可視化

可視化技術(shù)使人們可以在三維圖形世界中用以前不可想象的手段來(lái)獲取信息或發(fā)揮自己創(chuàng)造性的思維，人們對(duì)計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)的研究已經(jīng)歷了一個(gè)很長(zhǎng)的歷程，而且形成了許多可視化工具，其中SGI公司推出的GL三維圖形庫(kù)表現(xiàn)突出，易于使用而且功能強(qiáng)大，OpenGL經(jīng)過(guò)20年的時(shí)間，作為一個(gè)久負(fù)盛名的跨平臺(tái)的計(jì)算機(jī)圖形應(yīng)用程序接口規(guī)范，它已被廣泛應(yīng)用于游戲、影視、軍事、地理、醫(yī)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)，以及各類(lèi)科學(xué)數(shù)據(jù)可視化的領(lǐng)域，它幾乎支持所有主流操作系統(tǒng)平臺(tái)，它應(yīng)當(dāng)是全球最為廣泛學(xué)習(xí)和使用的圖形開(kāi)發(fā)API接口，我們幾乎可以在全世界任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)安裝的軟件中找到它的身影，但調(diào)用它開(kāi)發(fā)具有一定的難度。

科學(xué)計(jì)算可視化應(yīng)用廣泛，其中面繪制方法由傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)繪制曲面，體繪制方法是直接由三維數(shù)據(jù)生成屏幕上二維圖像的技術(shù)，體繪制技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是可以探索物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以描述非常定形的物體，如肌肉，煙云等，而面繪制在這些方面比較弱。但它的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，NVIDIA推出的通用并行計(jì)算架構(gòu)擺脫了復(fù)雜的圖形API，作為數(shù)據(jù)并行的軟硬件體系，CUDA編程模型能夠解決這種復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題。

本文的主要目的是探究如何進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化，為了解決運(yùn)算速度的問(wèn)題探討如何搭建并行計(jì)算平臺(tái)，使用CUDA編程技術(shù)來(lái)提高運(yùn)算速度，并對(duì)三維數(shù)據(jù)可視化。

1 CUDA平臺(tái)

CUDA是一種由NVIDIA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。 它包含了CUDA指令集架構(gòu)以及GPU內(nèi)部的并行計(jì)算引擎。 開(kāi)發(fā)人員現(xiàn)在可以使用C語(yǔ)言來(lái)為CUDA架構(gòu)編寫(xiě)程序，所編寫(xiě)出的程序可以在支持CUDA的處理器上以超高性能運(yùn)行。鑒于建模時(shí)隨著網(wǎng)格數(shù)目的增加，會(huì)使計(jì)算量成冪函數(shù)的增長(zhǎng)，影響畫(huà)面渲染的速度，又要有精度又要有速度，那么應(yīng)用先進(jìn)的并行計(jì)算架構(gòu)顯得尤為重要。

可以說(shuō)計(jì)算行業(yè)正在從只使用CPU的“中央處理”向CPU與GPU并用的“協(xié)同處理”發(fā)展。，英偉達(dá)發(fā)明了CUDA（Compute Unified Device Architecture，統(tǒng)一計(jì)算設(shè)備架構(gòu)）這一編程模型，是想在應(yīng)用程序中充分利用CPU和GPU各自的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)CUDA，GPUs可以很方便地被用來(lái)進(jìn)行通用計(jì)算。在沒(méi)有CUDA之前，GPUs一般只用來(lái)進(jìn)行圖形渲染（如通過(guò)OpenGL，DirectX）。CUDA進(jìn)行了編程語(yǔ)言擴(kuò)展，CUDA C/C++可以看作一個(gè)新的編程語(yǔ)言，CUDA工作的的對(duì)象就是GPU及GPU上的內(nèi)存，且充分利用了GPU多核的優(yōu)勢(shì)及降低了并行編程的難度。一般通過(guò)C語(yǔ)言把數(shù)據(jù)從外界讀入，再分配數(shù)據(jù)給CUDA，以便在GPU上計(jì)算，然后再把計(jì)算結(jié)果返回給C語(yǔ)言，以便進(jìn)一步工作，如進(jìn)一步處理及顯示，或重復(fù)此過(guò)程。其中將CPU及系統(tǒng)的內(nèi)存稱(chēng)為主機(jī)，將GPU及GPU本身的顯示內(nèi)存稱(chēng)為設(shè)備，其線程，線程塊，線程格的三層結(jié)構(gòu)適合于并行計(jì)算，線程一般通過(guò)GPU的一個(gè)核進(jìn)行處理，線程塊由多個(gè)線程組成，它是并行執(zhí)行的，之間無(wú)法通信，也沒(méi)有執(zhí)行順序，線程格是由多個(gè)線程塊組成，而在GPU上執(zhí)行的函數(shù)通常稱(chēng)為核函數(shù)，一般通過(guò)標(biāo)識(shí)符__global__修飾，用于說(shuō)明內(nèi)核函數(shù)中的線程數(shù)量，以及線程是如何組織的，一般以線程格（Grid）的形式組織，每個(gè)線程格由若干個(gè)線程塊（block）組成，而每個(gè)線程塊又由若干個(gè)線程（thread）組成，在編程時(shí)，必須先為kernel函數(shù)中用到的數(shù)組或變量分配好足夠的空間，再調(diào)用kernel函數(shù)進(jìn)行工作。這樣的一種硬件平臺(tái)，加上CUDA編程模型已經(jīng)取得了很多的的成果，它的搭建為數(shù)據(jù)可視化奠定了基礎(chǔ)。

2 三維數(shù)據(jù)可視化

2.1 CUDA和OpenGL互操作

OpenGL 是圖形硬件的軟件接口，它不是一種編程語(yǔ)言，而是一種 API （應(yīng)用程序編程接口），程序員通過(guò)調(diào)用OpenGL 庫(kù)函數(shù)進(jìn)行圖形編程。通過(guò)CUDA，CPU承擔(dān)的計(jì)算任務(wù)可以更多地移交給 GPU完成，，顯示任務(wù)完全依靠GPU完成，CPU只負(fù)責(zé)傳遞數(shù)據(jù)到GPU既提高了整個(gè)過(guò)程的計(jì)算速度，也最大程度地發(fā)揮了GPU的功效，結(jié)合GPU并行處理能力和GPU 圖像顯示技術(shù)能很好的解決復(fù)雜數(shù)據(jù)的可視化問(wèn)題。

2.2 體繪制方法

體繪制技術(shù)是科學(xué)計(jì)算可視化的重要組成部分，常用的算法有光線投射法，足跡表法等。光線投射法是按視線方向發(fā)射一條射線，沿著射線選取采樣點(diǎn)，并由采樣點(diǎn)最近8個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的顏色值和透明度作線性插值，經(jīng)合成后得到圖像。足跡表法，是反復(fù)對(duì)體素的投影疊加效果進(jìn)行運(yùn)算。它們的計(jì)算量都相當(dāng)大，其中光線投射法可以把整個(gè)屏幕作為一個(gè)Grid，每個(gè)區(qū)域看成Block，每個(gè)像素作為一個(gè)Thread，充分利用CUDA編程模型，把這種體繪制算法并行化，從而改善計(jì)算量大的問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，CUDA軟硬件平臺(tái)的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)可視化這種計(jì)算量大的技術(shù)，可以通過(guò)配合使用CUDA及圖形硬件的軟件接口OpenGL，并把可視化算法并行化，可以得到很好的改善這種復(fù)雜計(jì)算的問(wèn)題。

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作者單位

銀川能源學(xué)院 寧夏省銀川市 750105