一文解析GPU圖像處理的基本流程

現(xiàn)代GPU提供了頂點處理器和片段處理器兩個可編程并行處理部件。在利用GPU執(zhí)行圖像處理等通用計算任務(wù)時，要做的主要工作是把待求解的任務(wù)映射到GPU支持的圖形繪制流水線上。

通常的方法是把計算任務(wù)的輸入數(shù)據(jù)用頂點的位置、顏色、法向量等屬性或者紋理等圖形繪制要素來表達，而相應(yīng)的處理算法則被分解為一系列的執(zhí)行步驟，并改寫為GPU的頂點處理程序或片段處理程序，然后，調(diào)用3D API執(zhí)行圖形繪制操作，調(diào)用片段程序進行處理；最后，保存在幀緩存中的繪制結(jié)果就是算法的輸出數(shù)據(jù)。

雖然數(shù)字圖像處理算法多種多樣，具體實現(xiàn)過程也很不相同，但是在利用GPU進行并行化處理時，有一些共性的關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決，如：數(shù)據(jù)的加載，計算結(jié)果的反饋、保存等。

下面對這些共性的問題進行分析，并提出相應(yīng)的解決思路。

1. 數(shù)據(jù)加載

在GPU的流式編程模型中，所有的數(shù)據(jù)都必須以“流”的形式進行加載處理，并通過抽象的3D API進行訪問。在利用GPU進行圖像處理時，最直接有效的數(shù)據(jù)加載方法是把待處理的圖像打包為紋理，在繪制四邊形時進行加載、處理。同時為了保證GPU上片段程序能夠逐像素的對紋理圖像進行處理，必須將投影變換設(shè)置為正交投影，視點變換的視區(qū)與紋理大小相同，使得光柵化后的每個片段(fragment)和每個紋理單元(texel)一一對應(yīng)。對于圖像處理算法中的其他參數(shù)，如果數(shù)據(jù)量很小，則可以直接通過接口函數(shù)進行設(shè)置；如果參數(shù)比較多，也應(yīng)該將其打包為紋理的形式傳輸給GPU。在打包的過程中應(yīng)充分利用紋理圖像所具有的R、G、B、A四個通道。

2. 計算結(jié)果的反饋、保存

應(yīng)用程序是通過調(diào)用3D API繪制帶紋理的四邊形，激活GPU上的片段程序進行圖像處理的，而GPU片段著色器的直接渲染輸出是一個幀緩沖區(qū)，它對應(yīng)著計算機屏幕上的一個窗口，傳統(tǒng)上用來容納要顯示到屏幕的像素，但是在GPU流式計算中可以用來保存計算結(jié)果。雖然CPU可以通過3D API直接讀寫這個幀緩沖區(qū)，將渲染處理的結(jié)果從幀緩存中復制到系統(tǒng)內(nèi)存進行保存，但是幀緩存的大小受窗口大小限制，而且由于AGP總線的帶寬限制(2.1GB/s)，從顯存到系統(tǒng)

鏡像變換 GPU 渲染主要包括以下幾個步驟：

設(shè)置 1 個輸入紋理；

對輸入紋理進行紋理采樣；

設(shè)置變換矩陣；

在頂點著色器中，將輸入頂點與變換矩陣相乘；

輸出圖像數(shù)據(jù)；