Shader第二十八讲 Compute Shaders

http://blog.sina.com.cn/s/blog_471132920102w97k.html

首先简单介绍GPGPU programming

和CPU Random Memory Accesses(随机内存获取)不同，GPU是用平行架构处理 大量的并行数据，例如vertex和fragment就是分开计算的。使用GPU并利用这种特性来进行非图形计算被称为GPGPU编程（General Purpose GPU Programming）。大量并行无序数据的少分支逻辑（少if）适合GPGPU，例如粒子间互不影响的粒子系统。GPGPU平台或接口有DirectCompute,OpenCL,CUDA等。
从此图可以看出 CPU和GPU之间的数据传输是瓶颈。故当使用GPGPU时，对Texture的逐像素处理不需要传回CPU，因而速度比较快。

 Compute Shader

 Compute Shader下文简称cs

【概念】

Compute Shaders是在GPU运行却又在普通渲染管线之外的程序。用于运行GPGPU program。

平行算法被拆分成 很多线程组，而线程组包含很多线程。例如一个线程处理一个像素点。而一定要注意这种处理是无序的随机的，并不一定是固定的处理顺序，例如不一定是从左到右挨个处理像素点。
线程组

A Thread Group 运行在一个GPU单元 （A single multiprocesser）,如果GPU有16个
multiprocesser，那么程序至少要分成16个 Thread Group使得每个multiprocesser都参与计算。
组之间不分享内存。

线程
一个线程组包含n个线程，每32个thread称为一个warp（nvidia：warp=32 ,ati:wavefront=64,因此未来此数字可能会更高）。从效率考虑，一个线程组包含的线程数最好的warp的倍数，256是一个比较合适的数字。

【实现步骤】 
（1）在compute shader里 通过对贴图或者buffer进行数据读写
（2）在cs脚本里设置shader的贴图或者buffer并运行

【规则语法】
1 Compute Shaders的文件后缀为.compute

2 使用#pragma指出内核。
一个Compute Shader至少需要一个内核。
例如 #pragma kernel FillWithRed 
也可以接宏定义

#pragma kernel KernelOne SOME_DEFINE DEFINE_WITH_VALUE=1337 #pragma kernel KernelTwo OTHER_DEFINE

3 函数语法

下面通过一个完整简单的ComputeShader演示

1. #pragma kernel FillWithRed
2. RWTexture2D< float4 > res;
3. 
   
4. [numthreads(1,1,1)]
5. void FillWithRed (uint3 id : SV_DispatchThreadID)
6. {
7.   res[id.xy] = float4(1,0,0,1);
8. }

这一段代码只是输出红色至res贴图. 

一 前缀

在核的前缀用三个纬度，定义了一个线程组内线程的数量，如果只用2个纬度那么，最后一个参数为1即可
[numthreads(thread_group_size_x,thread_group_size_y,1)]


GroupID:线程组id
ThreadIID:组内线程id
DispatchThreadID:线程DispatchId
(DispatchThreadID =GroupID*组内线程数 + ThreadId)
这些id都是从0开始

 二 资源类型
cs可以读取两种类型的资源：buffer ,texture

【buffer】
例如顶点缓冲就是一种buffer,很多时候我们去定义struct数组并作为buffer传入cs

自己定义buffer(必须是固定size):
struct Data
{
float x;
};
StructuredBuffer< Data > b;
RWStructuredBuffer< Data > b;

buffer的添加是append，消耗是consume 

texture：
只读 Texture2d< float4 > xx;
读写 RWTexture2d< float4 > xx;
RWTexture2d< float2 > xx;  //RG_int

在Unity里读写的只能是RenderTexture并且支持随机读写（RenderTexture enableRandomWrite=true）

三 其他
1 每个线程都有一个对应的id： SV_DispatchThreadID
对贴图进行采样不能用Sample 而是SampleLevel,额外的参数是mipmap level ,0为最高级，1为次级，2...

2 int格子转换至[0,1]uv范围
例如一张512x512的贴图
Texture2d tex;
tex.SampleLevel(samPoint,float2(id.x,id.y)/512)


blur需要所有所有像素都sample完，因此需要同步：
GroupMemoryBarrierWithGroupSync(); 


[例一：基本贴图计算]
 将一张贴图所有像素点赋予红色，很简单。

CS脚本

1. using UnityEngine;
2. using System.Collections;
3. public class SetTexColor_1 : MonoBehaviour {
4.     public Material mat;
5.     public ComputeShader shader;
6.     void Start()
7.     {
8.         RunShader ();
9.     }
10.     void RunShader()
11.     {
12.         ////////////////////////////////////////
13.         //    RenderTexture
14.         ////////////////////////////////////////
15.         //1 新建RenderTexture
16.         RenderTexture tex = new RenderTexture (256, 256, 24);
17.         //2 开启随机写入
18.         tex.enableRandomWrite = true;
19.         //3 创建RenderTexture
20.         tex.Create ();
21.         //4 赋予材质
22.         mat.mainTexture = tex;
23.         ////////////////////////////////////////
24.         //    Compute Shader
25.         ////////////////////////////////////////
26.         //1 找到compute shader中所要使用的KernelID
27.         int k = shader.FindKernel ("CSMain");
28.         //2 设置贴图    参数1=kid  参数2=shader中对应的buffer名 参数3=对应的texture, 如果要写入贴图，贴图必须是RenderTexture并enableRandomWrite
29.         shader.SetTexture (k, "Result", tex);
30.         //3 运行shader  参数1=kid  参数2=线程组在x维度的数量 参数3=线程组在y维度的数量 参数4=线程组在z维度的数量
31.         shader.Dispatch (k, 256 / 8, 256 / 8, 1);
32.     }
33. }

Compute Shader

1. //1 定义kernel的名称
2. #pragma kernel CSMain
3. //2 定义buffer
4. RWTexture2D Result;
5. //3 kernel函数
6. //组内三维线程数
7. [numthreads(8,8,1)]
8. void CSMain (uint3 id : SV_DispatchThreadID)
9. {
10.     //给buffer赋值
11.     //纯红色
12.     //Result[id.xy] = float4(1,0,0,1);
13.     //基于uv的x给颜色
14.     float v = id.x/256.0f;
15.     Result[id.xy] = float4(v,0,0,1);
16. }
17. 
    

[例二：Buffer使用]
 

这个例子并不是讲实现粒子系统，而只是演示简单的Buffer使用和传递。

步骤：
shader:
1 定义struct结构体
2 声明struct变量
3 函数里计算

c#:
1 定义对应的struct结构体
2 声明struct数组
3  创建buffer
   ComputeBuffer  buffer = new ComputeBuffer(count,40);  
 参数1是 数组长度（等于2个三维的乘积），参数2是结构体的字节长度如float=4
4 初始化结构体并赋予buffer
   buffer.SetData (values); 
 参数是 struct数组
5 Dispatch
还是 FindKernel-> SetBuffer ->Dispatch


Compute Shader

1. #pragma kernel CSMain
2. struct PBuffer
3. {
4.     float life;
5.     float3 pos;
6.     float3 scale;
7.     float3 eulerAngle;
8. };
9. RWStructuredBuffer buffer;
10. float deltaTime;
11. [numthreads(2,2,1)]
12. void CSMain (uint3 id : SV_DispatchThreadID)
13. {
14.      int index = id.x + id.y * 2 * 2;
15.      buffer[index].life -= deltaTime;
16.     buffer[index].pos = buffer[index].pos + float3(0,deltaTime,0); 
17.     buffer[index].scale = buffer[index].scale; 
18.     buffer[index].eulerAngle = buffer[index].eulerAngle + float3(0,20*deltaTime,0); 
19. }

CS脚本

using UnityEngine;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;

//Buffer数据结构
struct PBuffer
{
    //size 40
    public float life;//4
    public Vector3 pos;//4x3
    public Vector3 scale;//4x3
    public Vector3 eulerAngle;//4x3
};

public class Particles_2 : MonoBehaviour {
    public ComputeShader shader;
    public GameObject prefab;
    private List<<font face="Consolas"> GameObject > pool = new List<<font face="Consolas"> GameObject >();
    int count = 16;
    private ComputeBuffer buffer;

    void Start()
    {
        for (int i = 0; i  <<font face="Consolas">  count; i++) {
            GameObject obj = Instantiate (prefab) as GameObject;
            pool.Add (obj);
        }
        CreateBuffer ();
    }

    void CreateBuffer()
    {
        buffer = new ComputeBuffer(count,40);
        PBuffer[] values = new PBuffer[count];
        for (int i = 0; i <</span> count; i++) {
            PBuffer m = new PBuffer ();
            InitStruct (ref m);
            values [i] = m;
        }
        buffer.SetData (values);
    }

    void InitStruct(ref PBuffer m )
    {
        m.life = Random.Range(1f,3f);
        m.pos = Random.insideUnitSphere * 5f;
        m.scale = Vector3.one * Random.Range(0.3f,1f);
        m.eulerAngle = new Vector3 (0, Random.Range(0f,180f), 0);
    }

    void Update()
    {
        //运行Shader
        Dispatch ();

        //根据Shader返回的buffer数据更新物体信息
        PBuffer[] values = new PBuffer[count];
        buffer.GetData(values);
        bool reborn = false;
        for (int i = 0; i <</span> count; i++) {
            if (values [i].life <</span> 0) {
                InitStruct (ref values [i]);
                reborn = true;
            } else {
                pool [i].transform.position = values [i].pos;
                pool [i].transform.localScale = values [i].scale;
                pool [i].transform.eulerAngles = values [i].eulerAngle;
                //pool [i].GetComponent<</span>MeshRenderer>().material.SetColor ("_TintColor", new Color(1,1,1,values [i].life));
            }
        }
        if(reborn)
            buffer.SetData(values);
    }

    void Dispatch()
    {
        shader.SetFloat ("deltaTime", Time.deltaTime);
        int kid = shader.FindKernel ("CSMain");
        shader.SetBuffer (kid, "buffer", buffer);
        shader.Dispatch (kid, 2, 2, 1);
    }

    void ReleaseBuffer()
    {
        buffer.Release();
    }
    private void OnDisable()
    {
        ReleaseBuffer();
    }
}

参考：

《Introduction_to_3D_Game_Programming_with_Directx_11》