CSharpGL(23)用ComputeShader实现一个简单的ParticleSimulator

CSharpGL(23)用ComputeShader实现一个简单的ParticleSimulator

我还没有用过Compute Shader，所以现在把红宝书里的例子拿来了，加入CSharpGL中。

效果图

如下图所示。

或者看视频演示。

下面是红宝书原版的代码效果。

下载

CSharpGL已在GitHub开源，欢迎对OpenGL有兴趣的同学加入（https://github.com/bitzhuwei/CSharpGL）

Compute Shader

Compute Shader的运行与Vertex Shader等不同：它不在pipeline上运行。调用它时用的是这样的命令：

void glDispatchCompute(GLuint um_groups_x, Luint num_groups_y, GLuint num_groups_z);

Compute Shader把并行的计算单元看做一个global work group，它下面分为若干个local work group，local work group又分为若干个执行单元。一个执行单元对应一次对Compute Shader的调用。目前我还不知道这种分为2级的设定有什么好处。

Compute Shader可以像其他Shader一样操作纹理、buffer、原子计数器等资源；它也有一些特有的内置变量（用于获取此执行单元的位置，即属于哪个local work group，是第几个）。

下面通过本文开头的ParticleSimulator的例子来学习一下如何使用Compute Shader。

Particle Simulator

设计

这个例子中，我们用Compute Shader来更新1百万个粒子的位置和速度。为了简单，我们不考虑粒子之间的碰撞问题。

首先分配2个大缓存，一个存放粒子的速度，一个存放粒子的位置。每个时刻里，Compute Shader开始运行，并且每个请求都只处理一个单一的粒子。Compute Shader从缓存中读取当前的速度和位置，计算出新的速度和位置，然后写入缓存中。

然后设置几个引力器，他们都有质量和位置。每个粒子的质量都视作1。每个粒子都受到这些引力器的作用。引力器的位置和质量用一个uniform块保存。

粒子还有生命周期，每次更新时都减少之。少到0时就重置为1，且重置其位置到原点附近。这样模拟过程就能持续进行下去。

模拟粒子的Compute Shader

此Compute Shader如下。

#version 430 core
// 引力器的位置和质量
layout (std140, binding = 0) uniform attractor_block
{
    vec4 attractor[64]; // xyz = position, w = mass
};
// 每块中粒子的数量为128
layout (local_size_x = 128) in;
// 使用两个缓存来记录粒子的速度和质量
layout (rgba32f, binding = 0) uniform imageBuffer velocity_buffer;
layout (rgba32f, binding = 1) uniform imageBuffer position_buffer;
// 时间间隔
uniform float dt = 1.0;

void main(void)
{
    // 读取当前粒子的速度和位置
    vec4 vel = imageLoad(velocity_buffer, int(gl_GlobalInvocationID.x));
    vec4 pos = imageLoad(position_buffer, int(gl_GlobalInvocationID.x));

    int i;
    // 更新位置和生命周期
    pos.xyz += vel.xyz * dt;
    pos.w -= 0.0008 * dt;
    // 对每个引力器
    for (i = 0; i < 4; i++)
{
    // 计算受力情况并更新速度
        vec3 dist = (attractor[i].xyz - pos.xyz);
        vel.xyz += dt * dt * attractor[i].w * normalize(dist) / (dot(dist, dist) + 10.0);
    }
    // 如何粒子过期，重置它
    if (pos.w <= 0.0)
    {
        pos.xyz = -pos.xyz * 0.01;
        vel.xyz *= 0.01;
        pos.w += 1.0f;
    }
    // 将新的速度和位置保存到缓存
    imageStore(position_buffer, int(gl_GlobalInvocationID.x), pos);
    imageStore(velocity_buffer, int(gl_GlobalInvocationID.x), vel);
}

初始化

创建2个缓存，把粒子的初始位置放到原点附近，生命周期在0~1之间随机。

protected override void DoInitialize()    
{
{
    // 创建 compute shader program
        var computeProgram = new ShaderProgram();
        var shaderCode = new ShaderCode(File.ReadAllText(@"ShadersparticleSimulator.comp"), ShaderType.ComputeShader);
        var shader = shaderCode.CreateShader();
        computeProgram.Create(shader);
        shader.Delete();
        this.computeProgram = computeProgram;
    }
{
        GL.GetDelegateFor<GL.glGenVertexArrays>()(1, render_vao);
        GL.GetDelegateFor<GL.glBindVertexArray>()(render_vao[0]);
        // 初始化粒子位置
        GL.GetDelegateFor<GL.glGenBuffers>()(1, position_buffer);
        GL.BindBuffer(BufferTarget.ArrayBuffer, position_buffer[0]);
        var positions = new UnmanagedArray<vec4>(ParticleSimulatorCompute.particleCount);
        unsafe
        {
            var array = (vec4*)positions.FirstElement();
            for (int i = 0; i < ParticleSimulatorCompute.particleCount; i++)
            {
                array[i] = new vec4(
                    (float)(random.NextDouble() - 0.5) * 20,
                    (float)(random.NextDouble() - 0.5) * 20,
                    (float)(random.NextDouble() - 0.5) * 20,
                    (float)(random.NextDouble())
                    );
            }
        }
        GL.BufferData(BufferTarget.ArrayBuffer, positions, BufferUsage.DynamicCopy);
        positions.Dispose();
        GL.GetDelegateFor<GL.glVertexAttribPointer>()(0, 4, GL.GL_FLOAT, false, 0, IntPtr.Zero);
        GL.GetDelegateFor<GL.glEnableVertexAttribArray>()(0);
        // 初始化粒子速度
        GL.GetDelegateFor<GL.glGenBuffers>()(1, velocity_buffer);
        GL.BindBuffer(BufferTarget.ArrayBuffer, velocity_buffer[0]);
        var velocities = new UnmanagedArray<vec4>(ParticleSimulatorCompute.particleCount);
        unsafe
        {
            var array = (vec4*)velocities.FirstElement();
            for (int i = 0; i < ParticleSimulatorCompute.particleCount; i++)
            {
                array[i] = new vec4(
                    (float)(random.NextDouble() - 0.5) * 0.2f,
                    (float)(random.NextDouble() - 0.5) * 0.2f,
                    (float)(random.NextDouble() - 0.5) * 0.2f,
                    0);
            }
        }
        GL.BufferData(BufferTarget.ArrayBuffer, velocities, BufferUsage.DynamicCopy);
        velocities.Dispose();
        // 把缓存绑定到TBO
        GL.GenTextures(1, textureBufferPosition);
        GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_BUFFER, textureBufferPosition[0]);
        GL.GetDelegateFor<GL.glTexBuffer>()(GL.GL_TEXTURE_BUFFER, GL.GL_RGBA32F, position_buffer[0]);
        GL.GenTextures(1, textureBufferVelocity);
        GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_BUFFER, textureBufferVelocity[0]);
        GL.GetDelegateFor<GL.glTexBuffer>()(GL.GL_TEXTURE_BUFFER, GL.GL_RGBA32F, velocity_buffer[0]);

        // 初始化引力器
        GL.GetDelegateFor<GL.glGenBuffers>()(1, attractor_buffer);
        GL.BindBuffer(BufferTarget.UniformBuffer, attractor_buffer[0]);
        GL.GetDelegateFor<GL.glBufferData>()(GL.GL_UNIFORM_BUFFER, 64 * Marshal.SizeOf(typeof(vec4)), IntPtr.Zero, GL.GL_DYNAMIC_COPY);
        GL.GetDelegateFor<GL.glBindBufferBase>()(GL.GL_UNIFORM_BUFFER, 0, attractor_buffer[0]);
    }
{
    // 初始化渲染器
        var visualProgram = new ShaderProgram();
        var shaderCodes = new ShaderCode[2];
        shaderCodes[0] = new ShaderCode(File.ReadAllText(@"ShadersparticleSimulator.vert"), ShaderType.VertexShader);
        shaderCodes[1] = new ShaderCode(File.ReadAllText(@"ShadersparticleSimulator.frag"), ShaderType.FragmentShader);
        var shaders = (from item in shaderCodes select item.CreateShader()).ToArray();
        visualProgram.Create(shaders);
        foreach (var item in shaders) { item.Delete(); }
        this.visualProgram = visualProgram;
    }
}

渲染

渲染循环

渲染过程有3个步骤，首先要更新引力器，然后更新粒子速度和位置，最后渲染出来。

float time = 0.0f;
protected override void DoRender(RenderEventArgs arg)
{
    // 更新time和deltaTime
    float deltaTime = (float)random.NextDouble() * 5;
    time += (float)random.NextDouble() * 5;

    // 更新引力器位置和质量
    GL.BindBuffer(BufferTarget.UniformBuffer, attractor_buffer[0]);
    IntPtr attractors = GL.MapBufferRange(BufferTarget.UniformBuffer,
        0, 64 * Marshal.SizeOf(typeof(vec4)),
        MapBufferRangeAccess.MapWriteBit | MapBufferRangeAccess.MapInvalidateBufferBit);
    unsafe
    {
        var array = (vec4*)attractors.ToPointer();
        for (int i = 0; i < 64; i++)
        {
            array[i] = new vec4(
                (float)(Math.Sin(time * (float)(i + 4) * 7.5f * 20.0f)) * 50.0f,
                (float)(Math.Cos(time * (float)(i + 7) * 3.9f * 20.0f)) * 50.0f,
                (float)(Math.Sin(time * (float)(i + 3) * 5.3f * 20.0f))
                * (float)(Math.Cos(time * (float)(i + 5) * 9.1f)) * 100.0f,
                ParticleSimulatorCompute.attractor_masses[i]);
        }
    }

    GL.UnmapBuffer(BufferTarget.UniformBuffer);
    GL.BindBuffer(BufferTarget.UniformBuffer, 0);

    // 激活compute shader，绑定速度和位置缓存
    computeProgram.Bind();
    GL.GetDelegateFor<GL.glBindImageTexture>()(0, textureBufferVelocity[0], 0, false, 0, GL.GL_READ_WRITE, GL.GL_RGBA32F);
    GL.GetDelegateFor<GL.glBindImageTexture>()(1, textureBufferPosition[0], 0, false, 0, GL.GL_READ_WRITE, GL.GL_RGBA32F);
    // 指定deltaTime
    computeProgram.SetUniform("dt", deltaTime);
// 执行compute shader
GL.GetDelegateFor<GL.glDispatchCompute>()(1000000, 1, 1);
// 确保compute shader的计算已完成
GL.GetDelegateFor<GL.glMemoryBarrier>()(GL.GL_SHADER_IMAGE_ACCESS_BARRIER_BIT);


    // 渲染出粒子效果
    visualProgram.Bind();
    mat4 view = arg.Camera.GetViewMat4();
    mat4 projection = arg.Camera.GetProjectionMat4();
    visualProgram.SetUniformMatrix4("mvp", (projection * view).to_array());
    GL.GetDelegateFor<GL.glBindVertexArray>()(render_vao[0]);
    GL.Enable(GL.GL_BLEND);
    GL.BlendFunc(GL.GL_ONE, GL.GL_ONE);
    GL.DrawArrays(DrawMode.Points, 0, ParticleSimulatorCompute.particleCount);
GL.Disable(GL.GL_BLEND);
}

粒子着色程序

渲染粒子的vertex shader很简单。

#version 430 core

in vec4 position;

uniform mat4 mvp;

out float intensity;

void main(void)
{
    intensity = position.w;//生命周期（0~1）
    gl_Position = mvp * vec4(position.xyz, 1.0);
}

下面是fragment shader。粒子有生命周期，我们就据此赋予其不同的颜色。

#version 430 core

layout (location = 0) out vec4 color;

in float intensity;

void main(void)
{
    color = vec4(0.0f, 0.2f, 1.0f, 1.0f) * intensity + vec4(0.2f, 0.05f, 0.0f, 1.0f) * (1.0f - intensity);
}

万事俱备，效果就出来了。

2016-05-17

尝试新的粒子运动方式，效果如图。

所需的compute shader代码如下。

#version 430 core

layout (std140, binding = 0) uniform attractor_block
{
    vec4 attractor[64]; // xyz = position, w = mass
};

layout (local_size_x = 128) in;

layout (rgba32f, binding = 0) uniform imageBuffer velocity_buffer;
layout (rgba32f, binding = 1) uniform imageBuffer position_buffer;

uniform float dt = 1.0;

void main(void)
{
    vec4 vel = imageLoad(velocity_buffer, int(gl_GlobalInvocationID.x));
    vec4 pos = imageLoad(position_buffer, int(gl_GlobalInvocationID.x));

    int i;
    float factor = 0.05f;
    pos.xyz += vel.xyz * dt;
    pos.w -= factor * 0.025f * dt;

    vel.xyz += vec3(0, factor * -0.02f, 0);

    if (pos.w <= 0.0)
    {
        pos.xyz = -pos.xyz * 0.01;
        vel.x = factor * sin(gl_GlobalInvocationID.x);
        vel.y = factor * 3f;
        vel.z = factor * cos(gl_GlobalInvocationID.x);
        pos.w += 1.0f;
    }

    imageStore(position_buffer, int(gl_GlobalInvocationID.x), pos);
    imageStore(velocity_buffer, int(gl_GlobalInvocationID.x), vel);
}
 

总结

原CSharpGL的其他功能（3ds解析器、TTF2Bmp、CSSL等），我将逐步加入新CSharpGL。

欢迎对OpenGL有兴趣的同学关注（https://github.com/bitzhuwei/CSharpGL）