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cuda编程笔记（12）--学习cuFFT的简单使用

news 2025/8/3 7:37:57

cuFFT 是 NVIDIA 提供的 GPU 加速快速傅里叶变换（FFT）库，类似于 CPU 端的 FFTW，但利用 CUDA 并行计算大幅提高性能。

它可以处理 一维、二维、三维的 FFT，支持 复数到复数（C2C）、实数到复数（R2C）、复数到实数（C2R） 的变换，常用于信号处理、图像处理、频谱分析等。

如果用VS写cuda，记得链接器的输入加上cufft.lib

说实话，这一节我也不太懂，因为我之前没接触过傅里叶变换；如果专业的人应该能看懂一些函数的参数选项是啥意思吧

什么是 FFT？

FFT（Fast Fourier Transform）：把信号从 时域（time domain） 转换到 频域（frequency domain）。
在图像处理中，FFT 用于：
- 滤波（高通、低通）
- 卷积加速（卷积定理：卷积 = 频域乘法）
在信号处理中，FFT 用于：
- 频谱分析（检测信号频率成分）
- 滤波、调制

cuFFT 的 API 核心流程

创建计划（Plan）
- 用 cufftPlan1d()、cufftPlan2d() 或 cufftPlanMany() 创建 FFT 执行计划
执行 FFT
- 用 cufftExecC2C()、cufftExecR2C()、cufftExecC2R() 执行
销毁计划
- 用 cufftDestroy() 释放资源

cuFFT API 的常见类型

`cufftHandle`

定义：typedef int cufftHandle;
作用：FFT 计划（Plan）的句柄，类似于 cuBLAS 的 cublasHandle_t。
用法：
- 创建计划：cufftPlan1d(&plan, N, CUFFT_C2C, 1);
- 使用计划执行：cufftExecC2C(plan, ...)
- 销毁计划：cufftDestroy(plan);

📌 一个计划可以重复使用，只要尺寸（N）和类型一致，执行多次 FFT 不需要重新创建。

`cufftResult`

定义：枚举类型，表示 cuFFT API 的返回状态。
常用值：
- CUFFT_SUCCESS：成功
- CUFFT_INVALID_PLAN：无效计划
- CUFFT_ALLOC_FAILED：内存分配失败
- CUFFT_EXEC_FAILED：执行失败
- CUFFT_INVALID_VALUE：参数错误
用法：

cufftResult status = cufftPlan1d(&plan, N, CUFFT_C2C, 1);
if (status != CUFFT_SUCCESS) {printf("Error creating plan!\n");
}

`cufftComplex` / `cufftDoubleComplex`

定义：

typedef float2  cufftComplex;       // 单精度复数 (float)
typedef double2 cufftDoubleComplex; // 双精度复数 (double)

成员：
- .x：实部
- .y：虚部
用法：

cufftComplex val;
val.x = 1.0f; // 实部
val.y = 0.5f; // 虚部

`cufftType`

定义：FFT 类型，决定输入/输出数据格式。
常用值：
- CUFFT_R2C：实数 → 复数
- CUFFT_C2R：复数 → 实数
- CUFFT_C2C：复数 → 复数
- CUFFT_D2Z：双精度实数 → 双精度复数
- CUFFT_Z2D：双精度复数 → 双精度实数

其他重要概念

cufftReal：float，用于实数输入。
cufftDoubleReal：double，用于双精度实数输入。
CUFFT_FORWARD / CUFFT_INVERSE：正向/逆向变换。

创建计划

cufftResult cufftPlan1d(cufftHandle *plan, int nx, cufftType type, int batch);
cufftResult cufftPlan2d(cufftHandle *plan, int nx, int ny, cufftType type);

nx, ny：信号长度
type：
- CUFFT_C2C：复数→复数
- CUFFT_R2C：实数→复数
- CUFFT_C2R：复数→实数
batch：批处理个数，一次要并行处理多少个 独立的数据集。总输入的大小为nx*batch

执行 FFT

复数 ↔ 复数

cufftResult cufftExecC2C(cufftHandle plan, cufftComplex *idata, cufftComplex *odata, int direction);

idata：输入数据（GPU）
odata：输出数据（GPU）
direction：
- CUFFT_FORWARD（正变换）
- CUFFT_INVERSE（逆变换）

实数 → 复数

cufftResult cufftExecR2C(cufftHandle plan,cufftReal *idata,cufftComplex *odata);

复数 → 实数

cufftResult cufftExecC2R(cufftHandle plan,cufftComplex *idata,cufftReal *odata);

双精度版本

cufftExecZ2Z（复数 ↔ 复数）
cufftExecD2Z（实数 → 复数）
cufftExecZ2D（复数 → 实数）

方向参数（direction）

仅在 C2C / Z2Z 中使用：

CUFFT_FORWARD（前向FFT：时域→频域）
CUFFT_INVERSE（逆向FFT：频域→时域）

绑定 CUDA Stream

cuFFT 和 cuBLAS 一样，也可以通过 绑定 CUDA Stream 来实现异步执行，从而和其他内核或库函数并行化。

cufftResult cufftSetStream(cufftHandle plan, cudaStream_t stream);

plan：FFT 计划（cufftHandle）
stream：CUDA 流（cudaStream_t）

默认情况下，cufftExec* 是在 默认流（stream 0）上执行。
如果绑定到自定义流，那么：
- FFT 调用变为异步，不会阻塞主机线程。
- 可以在不同流上运行多个 FFT 并行处理。
- 还能和其他 GPU 任务（比如内核计算、数据拷贝）重叠执行。