CUDA官方函数库：傅里叶变换（CUFFT）相关库函数介绍
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序言：
CUFFT函数库的主要作用是实现高性能的傅里叶变换计算， 提供了多种类型的傅里叶变换函数，包括一维、二维和三维的实数和复数傅里叶变换。它支持多种数据布局和数据类型，例如当精度实数和复数，双精度实数和复数等。之前上传了CUFFT库的官方文件（免费下载，请点击），有需要可自行下载。本文主要对常用的库函数做了简要介绍，以备后续使用。
1 FFT句柄
1.1 cufftHandle
功能：
是一个句柄类型，用于管理 FFT 运算的状态和资源，它可以跟踪 FFT 运算的状态、管理资源等。
2 创建FFT计划
主要用于分配和配置FFT操作所需的内存与资源。
2.1 cufftPlan1d()函数
函数：
cufftResult cufftPlan1d(cufftHandle *plan, int nx, cufftType type, int batch)
功能：
为指定的信号大小和数据类型创建1D FFT计划配置
输入参数：
plan：cufftHandle 指针
nx： 用于执行傅里叶变换的数据量大小（在信号处理领域可以视为一段信号的长度）
type：用于执行傅里叶变换的数据类型，比如：CUFFT_C2C,CUFFT_C2R等
batch：用于执行傅里叶变换的量（在信号处理领域可以视为信号的量）
输出参数：
plan：一维傅里叶变换句柄
返回值：
CUFFT_SUCCESS： 成功创建FFT计划
CUFFT_INVALID_PLAN： 句柄无效
CUFFT_ALLOC_FAILED： 为计划分配GPU资源失败
CUFFT_INVALID_VALUE： 向API传递了一个或多个无效参数。
CUFFT_INTERNAL_ERROR： 检测到内部驱动程序错误
CUFFT_SETUP_FAILED： cuFFT库初始化失败
CUFFT_INVALID_SIZE： nx或批处理参数的大小不受支持
2.2 cufftPlan2d()函数
函数：
cufftResult cufftPlan2d(cufftHandle *plan, int nx, int ny, cufftType type)
功能：
根据指定的信号大小和数据类型创建2D FFT计划配置
输入参数：
plan： cufftHandle 指针
nx： 可以视为一个矩阵的列
ny: 可以视为一个矩阵的行
type： 用于执行傅里叶变换的数据类型，比如：CUFFT_C2C,CUFFT_C2R等
输出参数：
plan：二维傅里叶变换句柄
返回值：
CUFFT_SUCCESS： 成功创建FFT计划
CUFFT_INVALID_PLAN： 句柄无效
CUFFT_ALLOC_FAILED： 为计划分配GPU资源失败
CUFFT_INVALID_VALUE： 向API传递了一个或多个无效参数。
CUFFT_INTERNAL_ERROR： 检测到内部驱动程序错误
CUFFT_SETUP_FAILED： cuFFT库初始化失败
CUFFT_INVALID_SIZE： nx或批处理参数的大小不受支持
2.3 cufftPlan3d()函数
函数：
cufftResult cufftPlan3d(cufftHandle *plan, int nx, int ny, int nz, cufftType type)
功能：
根据指定的信号大小和数据类型创建3D FFT计划配置
输入参数：
plan： cufftHandle 指针
nx： 在x方向的数据点数
ny: 在y方向的数据点数
nz: 在z方向的数据点数
type： 用于执行傅里叶变换的数据类型，比如：CUFFT_C2C,CUFFT_C2R等
输出参数：
plan：三维傅里叶变换句柄
返回值：
CUFFT_SUCCESS： 成功创建FFT计划
CUFFT_INVALID_PLAN： 句柄无效
CUFFT_ALLOC_FAILED： 为计划分配GPU资源失败
CUFFT_INVALID_VALUE： 向API传递了一个或多个无效参数。
CUFFT_INTERNAL_ERROR： 检测到内部驱动程序错误
CUFFT_SETUP_FAILED： cuFFT库初始化失败
CUFFT_INVALID_SIZE： nx或批处理参数的大小不受支持
2.4 总结说明
通过上述对cufftHandle和cufftPlanXd()函数的介绍，会误认为这两个的功能是一样的。实际不然，但它们通常一起使用来完成 FFT 相关的任务。下面是它们之间的区别：
功能：
cufftPlanXd() 函数用于创建 FFT 运算的计划（plan），该计划描述了 FFT 运算的参数和配置，包括 FFT 的大小、数据格式、执行方式等。
cufftHandle 是一个句柄类型，用于管理 FFT 运算的状态和资源，它可以跟踪 FFT 运算的状态、管理资源等。
用法：
在进行 FFT 运算之前，首先需要创建一个 FFT 计划，使用 cufftPlanXd() 函数来指定 FFT 的一维参数。
创建 FFT 计划后，可以将其与 cufftHandle 关联，然后使用 cufftHandle 来执行 FFT 运算。
作用范围：
cufftPlanXd() 仅用于创建 FFT 计划，不涉及 FFT 运算的执行和资源管理。
cufftHandle 则用于管理 FFT 运算的状态和资源，包括执行 FFT 运算、管理 GPU 资源等。
资源管理：
cufftPlanXd() 创建的 FFT 计划不涉及资源管理，而是描述 FFT 运算的参数和配置。
cufftHandle 用于管理 FFT 运算的资源，包括 GPU 内存和计算资源的分配和释放。
3 执行FFT变换
3.1 cufftExecC2C()函数
函数：
cufftResult cufftExecC2C(cufftHandle plan, cufftComplex *idata, cufftComplex *odata, int direction);
功能：
执行单精度复数到单精度复数的FFT或IFFT变换
输入参数：
plan： FFT 计划句柄，用于描述 FFT 的参数和配置。
idata： 输入数据数组的指针，包含待转换的单精度复数序列
odata： 输出数据数组的指针，用于存储 FFT 变换的结果，数据格式为单精度复数
direction： FFT 的方向，即执行正向变换（从时域到频域）还是逆向变换（从频域到时域）
CUFFT_FORWARD：正向变换，即从时域到频域的变换。
CUFFT_INVERSE：逆向变换，即从频域到时域的变换。
输出参数：
odata： 输出数据数组的指针，用于存储 FFT 变换的结果，数据格式为单精度复数
返回值：
CUFFT_SUCCESS： 成功创建FFT计划
CUFFT_INVALID_PLAN： 句柄无效
CUFFT_ALLOC_FAILED： 为计划分配GPU资源失败
CUFFT_INVALID_VALUE： 向API传递了一个或多个无效参数。
CUFFT_INTERNAL_ERROR： 检测到内部驱动程序错误
CUFFT_SETUP_FAILED： cuFFT库初始化失败
3.2 cufftExecZ2Z()函数
函数：
cufftResult cufftExecC2C(cufftHandle plan, cufftDoubleComplex*idata, cufftDoubleComplex*odata, int direction);
功能：
执行单精度复数到单精度复数的FFT或IFFT变换
输入参数：
plan： FFT 计划句柄，用于描述 FFT 的参数和配置。
idata： 输入数据数组的指针，包含待转换的双精度复数序列
odata： 输出数据数组的指针，用于存储 FFT 变换的结果，数据格式为双精度复数
direction： FFT 的方向，即执行正向变换（从时域到频域）还是逆向变换（从频域到时域）
CUFFT_FORWARD：正向变换，即从时域到频域的变换。
CUFFT_INVERSE：逆向变换，即从频域到时域的变换。
输出参数：
odata： 输出数据数组的指针，用于存储 FFT 变换的结果，数据格式为单精度复数
返回值：
CUFFT_SUCCESS： 成功创建FFT计划
CUFFT_INVALID_PLAN： 句柄无效
CUFFT_ALLOC_FAILED： 为计划分配GPU资源失败
CUFFT_INVALID_VALUE： 向API传递了一个或多个无效参数。
CUFFT_INTERNAL_ERROR： 检测到内部驱动程序错误
CUFFT_SETUP_FAILED： cuFFT库初始化失败
3.3 cufftExecR2C()函数
函数：
cufftResult cufftExecR2C(cufftHandle plan, cufftReal*idata, cufftComplex*odata);
功能：
执行单精度复数到单精度复数的FFT变换
输入参数：
plan： FFT 计划句柄，用于描述 FFT 的参数和配置。
idata： 输入数据数组的指针，包含待转换的单精度实数序列
odata： 输出数据数组的指针，用于存储 FFT 变换的结果，数据格式为单精度复数
输出参数：
odata： 输出数据数组的指针，用于存储 FFT 变换的结果，数据格式为单精度复数
返回值：
CUFFT_SUCCESS： 成功创建FFT计划
CUFFT_INVALID_PLAN： 句柄无效
CUFFT_ALLOC_FAILED： 为计划分配GPU资源失败
CUFFT_INVALID_VALUE： 向API传递了一个或多个无效参数。
CUFFT_INTERNAL_ERROR： 检测到内部驱动程序错误
CUFFT_SETUP_FAILED： cuFFT库初始化失败
3.4 cufftExecD2Z()函数
函数：
cufftResult cufftExecD2Z(cufftHandle plan, cufftDoubleReal*idata, cufftDoubleComplex*odata, int direction);
功能：
执行单精度复数到单精度复数的FFT变换
输入参数：
plan： FFT 计划句柄，用于描述 FFT 的参数和配置。
idata： 输入数据数组的指针，包含待转换的双精度实数序列
odata： 输出数据数组的指针，用于存储 FFT 变换的结果，数据格式为双精度复数
输出参数：
odata： 输出数据数组的指针，用于存储 FFT 变换的结果，数据格式为双精度复数
返回值：
CUFFT_SUCCESS： 成功创建FFT计划
CUFFT_INVALID_PLAN： 句柄无效
CUFFT_ALLOC_FAILED： 为计划分配GPU资源失败
CUFFT_INVALID_VALUE： 向API传递了一个或多个无效参数。
CUFFT_INTERNAL_ERROR： 检测到内部驱动程序错误
CUFFT_SETUP_FAILED： cuFFT库初始化失败
3.5 cufftExecC2R()函数
函数：
cufftResult cufftExecC2R(cufftHandle plan, cufftComplex*idata, cufftReal*odata);
功能：
执行单精度复数到单精度复数的IFFT变换
输入参数：
plan： FFT 计划句柄，用于描述 FFT 的参数和配置。
idata： 输入数据数组的指针，包含待转换的单精度复数序列
odata： 输出数据数组的指针，用于存储 FFT 变换的结果，数据格式为实数
输出参数：
odata： 输出数据数组的指针，用于存储 FFT 变换的结果，数据格式为实数
返回值：
CUFFT_SUCCESS： 成功创建FFT计划
CUFFT_INVALID_PLAN： 句柄无效
CUFFT_ALLOC_FAILED： 为计划分配GPU资源失败
CUFFT_INVALID_VALUE： 向API传递了一个或多个无效参数。
CUFFT_INTERNAL_ERROR： 检测到内部驱动程序错误
CUFFT_SETUP_FAILED： cuFFT库初始化失败
3.6 cufftExecZ2D()函数
函数：
cufftResult cufftExecZ2D(cufftHandle plan, cufftDoubleComplex*idata, cufftDoubleReal*odata);
功能：
执行单精度复数到单精度复数的IFFT变换
输入参数：
plan： FFT 计划句柄，用于描述 FFT 的参数和配置。
idata： 输入数据数组的指针，包含待转换的双精度复数序列
odata： 输出数据数组的指针，用于存储 FFT 变换的结果，数据格式为双精度实数
输出参数：
odata： 输出数据数组的指针，用于存储 FFT 变换的结果，数据格式为双精度实数
返回值：
CUFFT_SUCCESS： 成功创建FFT计划
CUFFT_INVALID_PLAN： 句柄无效
CUFFT_ALLOC_FAILED： 为计划分配GPU资源失败
CUFFT_INVALID_VALUE： 向API传递了一个或多个无效参数。
CUFFT_INTERNAL_ERROR： 检测到内部驱动程序错误
CUFFT_SETUP_FAILED： cuFFT库初始化失败
3.7 总结说明
仔细观察可以看出：cufftExecC2C()和cufftExecZ2Z()函数有四个参数，分别代表FFT句柄、输入数组指针、输出数组指针及傅里叶变换（FFT）的方向，而cufftExecR2C()、cufftExecD2Z()、cufftExecC2R()和cufftExecZ2D()函数仅有前三个参数，这是因为cufftExecR2C()和cufftExecD2Z()函数在执行实数到复数的傅里叶变换（FFT）时是单向且固定的，因此没有逆向变换。同理，cufftExecC2R()和cufftExecZ2D()函数在执行复数到实数的逆傅里叶变换（IFFT）时是单向且固定的，因此没有正向变换。相比之下，对于复数到复数的 FFT 变换（例如 cufftExecC2C()和 cufftExecZ2Z函数()），需要区分正向变换（从时域到频域）和逆向变换（从频域到时域），因此需要通过direction参数来指定变换的方向。
4 销毁FFT句柄
4.1 cufftDestroy()函数
函数：
cufftResult cufftDestroy(cufftHandle plan);
功能：
用于销毁FFT计划句柄（handle）并释放相关资源
输入参数：
plan： FFT 计划句柄，即要销毁的FFT计划的句柄。
输出参数：
无
返回值：
CUFFT_SUCCESS： 成功创建FFT计划
CUFFT_INVALID_PLAN： 句柄无效
浙公网安备 33010602011771号