Unity中的Compute Shader

前言

游戏开发中，dot编程在处理大数量级的运算应用已经越来越广泛了，而GPU本身对大规模数据的并行计算已经越来越强了，因此现在许多游戏处理大量物体的计算可以利用GPU这一特性，加快并发计算速度，Compute Shader就是专门利用这一特性的。

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提示：以下是本篇文章正文内容

一、定义

Compute Shader是在GPU上并位于正常渲染管线之外运行的程序。一个Compute Shader是一个着色阶段，完全可用于计算任意信息。虽然它可以进行渲染，但通常用于与绘制三角形和像素没有直接关系的任务。它们可用于大规模并行的 GPGPU（通用图形处理器：General-purpose computing on graphics processing units，简称GPGPU） 算法，或用于加速游戏渲染的某些部分。计算着色器提供内存共享和线程同步功能，允许采用更有效的并行编程方法。

二、创建

在Asset下创建ComputerShader 目录，然后右键Create -> Shader -> Computer Shader

如果创建成功，则生成下面文件：

打开文件，下面是默认生成的：

三、computer代码解析

类似于常规shader，Compute Shader是项目中的资源文件，文件扩展名为 .compute。它们是以 DirectX 11 样式 HLSL 语言编写的，具有最少数量的 #pragma 编译指令来指示哪些函数将编译为计算着色器内核。

注意：Unity 最初使用 Cg 语言，因此会使用 Unity 某些关键字的名称 (CGPROGRAM) 和文件扩展名 (.cginc)。后续由于一些宏，名字存在冲突，Unity 不再使用CG，但这些名称仍在使用。

#pragma kernel CSMain ：声明哪个方法被编译，kernel是内核的意思，这一行即把一个名为CSMain的函数声明为内核，或者称之为核函数。一个Compute Shader中至少要有一个kernel才能够被唤起。可以声明很多方法和内核，类似下面：

可选择性地在 #pragma kernel 行后面添加要在编译该内核时定义的多个预处理器宏，例如：

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

RWTexture2D中，RW其实是Read和Write的意思，Texture2D就是二维纹理，因此它的意思就是一个可以被Compute Shader读写的二维纹理。一般我们shader通常是只读的，大多使用的是sampler2D，然后通过tex2D函数已经UV坐标访问，但RWTexture2D的访问是直接通过
Result[uint2(0,0)]来访问，值为float4型。
官方文档：RWTexture2D 文档

[numthreads(8,8,1)] 定义了一个线程组（Thread Group）中线程（Thread）总数量，格式：numthreads(tX, tY, tZ)，其中tXtYtZ的值即线程的总数量。每个核函数前面我们都需要定义numthreads，否则编译会报错。这里先不细说，后面会详细介绍这个组的概念。

SV_DispatchThreadID一张图片的每个像素坐标

四、c#调用方式

先定义并绑定一个ComputerShader,并定义一个接收的纹理：

private static ComputeShader shader;
private const int TextureSize = 1024;
private RenderTexture tex = RenderTexture.GetTemporary(TextureSize, TextureSize, 0, GraphicsFormat.R32G32B32A32_UInt);
public static void Init()
{
#if !UNITY_EDITOR
    shader = AssetBundleManager.Instance.LoadAssetSync("ComputeShader/NewComputeShader.compute");
#else
    shader = UnityEditor.AssetDatabase.LoadAssetAtPath("Assets/ComputeShader/NewComputeShader.compute");
#endif
}

运行时调用：

public void Computer(Texture sourceTex, bool isAlpha)
{
    if (!SystemInfo.supportsComputeShaders || SystemInfo.copyTextureSupport == CopyTextureSupport.None)
    {
        return null;
    }
    int kernelHandle = shader.FindKernel("CSMain");
    shader.SetTexture(kernelHandle, "Result", tex, i);
    shader.Dispatch(kernelHandle, TextureSize / 8, TextureSize / 8, 1);
}

绑定tex保存结果，在计算玩后，将传回，调用shader.Dispatch生效ComputerShader。

五、计算关系

public void Dispatch(int kernelIndex, int threadGroupsX, int threadGroupsY, int threadGroupsZ);

shader.Dispatch中kernelIndex指定是哪个内核函数，后面的threadGroupsX,threadGroupsY，threadGroupsZ指定了线程组的数量，上面例子中可以看到TextureSize是1024，
threadGroupsX = 1024 / 8，
threadGroupsY = 1024 / 8，
因为一个组也就是[numthreads(8,8,1)]，也就是一个组是88个，总纹理大小为10241024，那么组的数量就是(1024 / 8)*(1024 / 8).

核函数：

void KernelFunction(uint3 groupId : SV_GroupID,
    uint3 groupThreadId : SV_GroupThreadID,
    uint3 dispatchThreadId : SV_DispatchThreadID,
    uint groupIndex : SV_GroupIndex)
{

}

SV_GroupID:这个就非常好理解了，我Dispatch（1024 / 8，1024 / 8，1），也就是定义了一个128 * 128个线程组，SV_GroupID的范围（0， 0， 0） - （128， 128， 0）
SV_GroupIndex:即在每一个线程组元素里，线程的索引，[numthreads(8,8,1)]，则索引范围（0， 0， 0） - （8， 8， 0）,
SV_DispatchThreadID:这个就是全局唯一的id，可以理解为一张图片的每个像素坐标，算法如下:
假设:
SV_GroupID=(a, b, c)
SV_GroupThreadID=(i, j, k)
numthreads(tX, tY, tZ)
=>
SV_DispatchThreadID=(a * tX + i, b * tY + j, c * tZ + k)

注意的地方，线程组大小并不是随便定义的，比如我有一张64*64的图片，所以我定义dispath（8，8，1），[numthreads(8,8,1)]，这是ok的，你会发现我dispath.x*numthread.x是等于64的，也就是图片大小，这样才不会漏掉图片上的像素，但是这也是有限制的并不是无限大，[numthreads(x,x,1)]最大乘积为1024，也就是说最大处理的图片大小就是1024；

考虑到现在大多的纹理都是压缩的，而且大多都是以4 * 4 = 16个像素或者以上组成的block，因此computerShader使用这种线程组的方式同步处理8 * 8个像素，能很好的兼容各种压缩带来的读写速度。

六、平台支持

Unity 中的Compute Shader与 DirectX 11 DirectCompute 技术紧密配合。Compute Shader适用的平台：

• Windows 和 Windows 应用商店，使用 DirectX 11 或 DirectX 12 图形 API 和 Shader Model 5.0 GPU
• macOS 和 iOS，使用 Metal 图形 API
• Android、Linux 和 Windows 平台，Vulkan API
• 现代 OpenGL 平台（Linux 或 Windows 上的 OpenGL 4.3；Android 上的 OpenGL ES 3.1）。请注意，Mac OS X 不支持 OpenGL 4.3
• 现代游戏主机（Sony PS4 和 Microsoft Xbox One）
• 在运行时，可使用 SystemInfo.supportsComputeShaders 来查询是否支持Compute Shader。

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七、引用

Unity Compute Shader
OpenGL Compute Shader
更详细推荐：Unity中Compute Shader的基础介绍与使用