在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中GPGPU需要用到的OpenGL概念

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，紋理映射是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜表面效果的高效方法，即以較小的計(jì)算量就可以實(shí)現(xiàn)較為逼真的模芯效果。在GPGPU中，紋理映射也是一個(gè)至關(guān)重要的概念。由圖形API實(shí)現(xiàn)經(jīng)典GPGPU的原理可以總結(jié)為：用紋理映射實(shí)現(xiàn)的科學(xué)計(jì)算（computation by texturing）。

1、紋理映射的概念

在渲染對(duì)象過(guò)程中，最簡(jiǎn)單的方式是給各個(gè)對(duì)象表面顯式地涂上各種顏色。但這樣顏色會(huì)非常單一。同時(shí)，讓設(shè)計(jì)者手動(dòng)地給每個(gè)像素定義不同顏色顯然也不可能。于是，紋理映射就成為一個(gè)生成較高質(zhì)量三維表面地高效地這種方案。

紋理映射的原理：首先，由應(yīng)用程序生成頂點(diǎn)組成的三維模型。然后這些頂點(diǎn)被網(wǎng)格化或三角化，變成若干相連的平面。這是，可以選擇使用一些預(yù)定好的二維位圖，在定義好模型后，將這些位圖貼在對(duì)象表面。這個(gè)過(guò)程稱為紋理映射。映射，也就指的是通過(guò)空間中的頂點(diǎn)坐標(biāo)與紋理坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系，用紋理圖為頂點(diǎn)賦值。

2、幾何圖元

幾何圖元是組成人們熟知地三維模型地基本元素，如點(diǎn)、直線、三角形等，通常由一個(gè)頂點(diǎn)列表組成。為了標(biāo)志頂點(diǎn)列表地起始和終止位置，需要使用函數(shù)glBegin()和glEnd()。glBegin()地形參是一個(gè)幾何圖元對(duì)象地名稱。

glBegin(GL_POLYGON); //GL_POLYGON 是多邊形圖元地標(biāo)識(shí)。這里表示一個(gè)邊長(zhǎng)為2的二維正方形 glVertex2f(-1.-, -1.0); glVertex2f(-1.0, 1.0); glVertex2f(1.0, 1.0); glVertext2f(1.0, -1.0); glEnd();

常用OpenGL幾何圖元類型

幾何圖元類型 注釋
GL_POINTS 單個(gè)頂點(diǎn)集
GL_LINES 多組雙頂點(diǎn)線段
GL_POLYGON 單個(gè)簡(jiǎn)單填充凸多邊形
GL_TRIANGLES 多組獨(dú)立填充三角形
GL_QUADS 多組獨(dú)立填充四邊形
GL_LINE_STRIP 不閉合折線
GL_LINE_LOOP 閉合折線
GL_TRIANGLE_STRIP 線性連續(xù)填充三角形串
GL_TRIANGLE_FAN 扇形連續(xù)填充三角形串
GL_QUAD_STRIP 連續(xù)填充四邊形串

同時(shí)如果我們給同一個(gè)圖元不同頂點(diǎn)指定了不同顏色，OpenGL默認(rèn)對(duì)策是對(duì)圖元進(jìn)行平滑著色，即根據(jù)頂點(diǎn)顏色對(duì)其他部分線性插值。紋理坐標(biāo)也是每個(gè)頂點(diǎn)的屬性，可以使用函數(shù)glTexCoor()指定。

幾何圖元可以分為填充圖元和非填充圖元兩類。直線是非填充圖元，其不具備“內(nèi)部”。二維多邊形是一種填充圖元，其“內(nèi)部”可以定義。OpenGL中，填充圖元有三種方式，即頂點(diǎn)方式、邊線方式和填充方式。頂點(diǎn)方式是用頂點(diǎn)組成的點(diǎn)集來(lái)繪制；邊線方式是僅繪制多邊形的邊線，其“內(nèi)部”沒(méi)有定義。填充方式是對(duì)多邊形進(jìn)行填充，此時(shí)邊線在填充時(shí)也是內(nèi)部的一部分。

3、位圖與流水線

位圖是另一種基本圖元，也稱為離散圖元。它是一個(gè)由向量組成的矩陣。向量的元素?cái)?shù)就是位圖的通道數(shù)，比如彩色位圖通常是RGB，或者加入透明通道為RGBA。

與幾何圖元一樣，位圖也是圖形應(yīng)用程序可以生成的數(shù)據(jù)形式。同樣會(huì)進(jìn)入圖像流水線。但是，位圖已經(jīng)是可以存儲(chǔ)在幀緩存里的二維離散圖元，它不用流經(jīng)頂點(diǎn)處理單元，而是從另一條并行的流水線流入，在片段處理階段和流過(guò)頂點(diǎn)處理單元的數(shù)據(jù)匯合。

OpenGL對(duì)像素的讀寫，具體有三種操作：

把像素塊從幀緩存讀到住存儲(chǔ)器中，對(duì)應(yīng)OpenGL函數(shù)是glReadPixels()

把像素塊從主存儲(chǔ)器寫入光柵化器中，對(duì)應(yīng)OpenGL函數(shù)是glDrawPixels()

把像素塊從幀緩存復(fù)制到光柵化器中，對(duì)應(yīng)OpenGL函數(shù)是glCopyPixels()

基本流程如圖：

注意，像素塊在OpenGL中的存儲(chǔ)方式可能和在主存儲(chǔ)器中的不同，如像素中各分量的排列順序。如果想要將像素塊從幀緩存的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分，就需要先讀出像素，然后在另一處寫入?？梢允褂胓lReadPixels和glDrawPixels，但頻繁在主機(jī)與設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)過(guò)于低效，推薦使用glCopyPixels。

4、紋理圖

可以將紋理圖看成一張顏色查找表，根據(jù)每個(gè)頂點(diǎn)的紋理坐標(biāo)可以從紋理圖上查到該頂點(diǎn)的顏色。通常紋理圖和幀緩存中的位圖一樣，都是由離散的像素構(gòu)成。為了區(qū)分，我們將紋理圖上的一個(gè)像素稱為紋理元。事實(shí)上，由于紋理坐標(biāo)都是經(jīng)過(guò)插值和采樣計(jì)算得到的，所以在紋理圖中查找顏色并不是連三的。而是根據(jù)相鄰紋理元的顏色插值或最近鄰得到的。因此可以將紋理圖看成連續(xù)的數(shù)組，它的二維坐標(biāo)都是在實(shí)數(shù)域內(nèi)得到定義的。

OpenGL中默認(rèn)的紋理圖都是邊長(zhǎng)為1的正方形。這樣避免了使用明確坐標(biāo)，用戶就可以在不必知道紋理圖尺寸的情況下使用紋理。但對(duì)GPGPU編程卻產(chǎn)生了不便。如，需要知道一個(gè)長(zhǎng)度為512的數(shù)組的第100個(gè)元素，用C語(yǔ)言查找只需要使用下標(biāo)99即可，但OpenGL需要使用100.0/512.0=0.1953125.

OpenGL中設(shè)置紋理圖的函數(shù)為glTexImage2D()，一個(gè)指定4個(gè)分量、每個(gè)分量為1個(gè)字節(jié)的二維紋理圖：

#define nImageWidth 64 #define nImageHeight 64 static Glubyte ubImage[nImageHeight][nImageWidth][4]; //填充數(shù)組 glEnable(GL_TEXTURE_2D); glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D,0,GL_RGBA,nImageWidth,nImageHeigght,0,GL_RGBA,GL_UNSIGNED_BYTE, ubImage);

當(dāng)不需要對(duì)整幅紋理圖進(jìn)行操作時(shí)，可以使用函數(shù)glTexSubImage2D()來(lái)定義一幅子紋理圖。

當(dāng)使用glTexImage2D時(shí)，OpenGL就會(huì)在顯卡上分配一塊紋理緩存，把紋理圖從內(nèi)存轉(zhuǎn)移到紋理緩存中。如果已經(jīng)調(diào)用過(guò)glTexImage2D，更新紋理圖最好使用glTexSubImage2D，這樣就不用在顯卡上重新分配存儲(chǔ)空間，如果改動(dòng)較小也不用將整個(gè)紋理圖傳輸?shù)斤@卡上，以提高效率。這也是GPGPU的典型做法。

5、紋理坐標(biāo)

將紋理圖映射到三維表面是通過(guò)為每個(gè)頂點(diǎn)定義紋理坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)的。與頂點(diǎn)坐標(biāo)一樣，是一個(gè)四維向量[s,t,r,q].除第一個(gè)分量外（使用時(shí)，用戶至少需要使用一維紋理坐標(biāo)，因而s一定由用戶設(shè)定），其他分量的默認(rèn)值為：t=0,r=0,q=1。設(shè)置紋理坐標(biāo)函數(shù)為glTexCoord()。

6、紋理參數(shù)

在紋理映射前，還需要對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

1. 越界取值：當(dāng)指定的紋理坐標(biāo)值大于實(shí)際的取值范圍時(shí)，即超出紋理圖的邊界時(shí)，GL_TEXTURE_WRAP系列參數(shù)用來(lái)指定這種情況下，OpenGL采取的措施?？偟膩?lái)說(shuō)，OpenGL一般有兩種策略。一種是用鉗位算法(clamp)將坐標(biāo)值限制在某個(gè)區(qū)間內(nèi)，即大于該范圍的取值就鉗定在區(qū)間上限，小于時(shí)就鉗定在區(qū)間下限。另一種時(shí)在邊界以外重復(fù)邊界內(nèi)的取值。

2. 放大/縮小紋理圖

7、映射參數(shù)

此外，還需要確定映射過(guò)程中紋理圖與表面的相互作用，即處理與表面已有顏色的相互關(guān)系。通過(guò)glTexEnv進(jìn)行。

8、紋理對(duì)象

如果用戶同時(shí)使用多塊紋理，則頻繁使用glTexImage來(lái)加載過(guò)于低效。OpenGL提供了紋理對(duì)象來(lái)管理紋理，這樣多塊紋理可以在紋理緩存中并存。紋理緩存不足時(shí)，OpenGL會(huì)按照優(yōu)先級(jí)管理紋理，使加載紋理次數(shù)盡可能少。

首先，需要調(diào)用glGenTextures()來(lái)建立一個(gè)紋理對(duì)象。其會(huì)返回n個(gè)有效的整數(shù)紋理標(biāo)識(shí)符。這些整數(shù)被保存在textureNames數(shù)組中。這些返回的紋理表示符都是目前OpenGL未被占用的，不一定是連續(xù)的整數(shù)。0是OpenGL預(yù)留的紋理標(biāo)識(shí)符，不會(huì)被分配。分配到的紋理對(duì)象的標(biāo)識(shí)符，只表示該標(biāo)識(shí)符有效，而紋理暫時(shí)還是無(wú)效的。使用前，用戶需要將它與某種類型的紋理綁定起來(lái)glBindTexture()。同時(shí)相關(guān)程序結(jié)束后，可以使用glDeleteTextures()刪除。

9、紋理單元

紋理單元與多重紋理映射息息相關(guān)。在圖形任務(wù)中，有時(shí)需要將多塊紋理映射到同一表面，映射的結(jié)果是多重紋理融合的效果。OpenGl使用紋理單元來(lái)管理多重紋理映射中使用的不同紋理圖。一個(gè)紋理單元就是一個(gè)獨(dú)立的紋理，除了紋理圖本身外，它還保存了紋理坐標(biāo)和紋理參數(shù)等一切使用該紋理需要的信息。同一紋理圖也可以被多個(gè)紋理單元使用。

多重紋理映射時(shí)，可以使用OpenGL常量GL_TEXTUREi來(lái)選擇使用哪個(gè)紋理單元，其中i是0到31的整數(shù)。