CSharpGL(24)用ComputeShader实现一个简单的图像边缘检测功能

CSharpGL(24)用ComputeShader实现一个简单的图像边缘检测功能

效果图

这是红宝书里的例子，在这个例子中，下述功能全部登场，因此这个例子可作为使用Compute Shader的典型示例。

★用imageLoad从纹理中读取数据。★

★用imageStore将数据写入纹理。★

★用vertex/fragment shader显示出compute shader的计算结果。★

下面是3个测试用例。

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）

Image Processing

渲染结果

先解决简单的问题：把compute shader计算后的结果（一个纹理）显示出来。这用到如下的vertex shader和fragment shader，非常简单。

 1 #version 430 core
 2 
 3 in vec3 vert;
 4 in vec2 uv;
 5 out vec2 passUV;
 6 uniform mat4 mvp;
 7 
 8 void main(void)
 9 {
10     gl_Position = mvp * vec4(vert, 1.0f);
11     passUV = uv;
12 }

vertex shader

 1 #version 430 core
 2 
 3 layout (location = 0) out vec4 color;
 4 in vec2 passUV;
 5 layout (binding = 0) uniform sampler2D output_image;
 6 
 7 void main(void)
 8 {
 9     color = texture(output_image, passUV);
10 }

fragment shader

其模型用一个四边形即可。

边缘检测算法

理论

在一个图像上，什么是边缘？如果相邻的两个像素颜色差别很大，就可以算是边缘。差别越大，就越能被视作边缘。

这个例子实现了一个简单的边缘检测算法，使用一个边缘检测滤波器对输入的图像（作为纹理）进行卷积操作。这个例子中的滤波器是可分离的（separable filter），就是说，可以对多维度空间的各个维度都单独处理。这里，我们将它应用到2维图像上，首先对水平维度进行处理，然后对垂直维度进行处理。

为了实现这个算法，compute shader的每个请求都要处理输入图像的一个像素。它需要读取输入图像的内容，然后减去该像素旁边的采样值。这意味着一个请求要从输入图像中读取2次。

为避免多于的内存访问，这里用一个shared数组来存储输入图形的一行。我们在每个请求中读取输入图像的目标像素，然后存储到shared数组。当所有请求都读取输入图像后，这个shared数组就含有输入图像当前行的所有像素值。之后每个请求都可以直接从此shared数组中读取像素值，这个读取速度是非常快的。

Compute Shader

实现边缘检测算法的compute shader如下。

 1 #version 430 core
 2 // 最大支持宽度为512的图像
 3 layout (local_size_x = 512, local_size_y = 1, local_size_z = 1) in;
 4 // 要进行检测的图像
 5 layout (rgba32f, binding = 0) uniform image2D input_image;
 6 // 检测结果
 7 layout (rgba32f, binding = 1) uniform image2D output_image;
 8 // 共享数组，存储当前行的像素
 9 shared vec4 scanline[512];
10 
11 void main(void)
12 {
13     // 请求的位置
14     ivec2 pos = ivec2(gl_GlobalInvocationID.xy);
15     // 读取当前位置的像素
16     scanline[pos.x] = imageLoad(input_image, pos);
17     // 等待所有请求都走到这里
18     barrier();
19     // 计算边缘值，存储到output_image
20     vec4 result = scanline[min(pos.x + 1, 511)] - scanline[max(pos.x - 1, 0)];
21     // pos.yx：把输出图像翻转，这样就可以使用同一compute shader进行2维卷积。
22     imageStore(output_image, pos.yx, result);
23 }

执行

可以看到，上面的compute shader的一个local work group只能处理图像的一个维度上的一行。这一点由这一行代码决定：

layout (local_size_x = 512, local_size_y = 1, local_size_z = 1) in;

为了处理此维度上的全部行，在调用此compute shader时要这样：

GL.GetDelegateFor<GL.glDispatchCompute>()(1, 512, 1);

即指定在Y轴上执行512个local work group。这样就完成了在X轴维度上的计算。这时我们得到了一个中间图像intermediate_image。

★从这里可以看到设定local work group和global work group的理由：shader里的local_size_*大小有限，借助glDispatchCompute才能实现更大规模的计算，且更灵活。★

然后要对这个intermediate_image的Y轴维度执行算法。这时你注意到，在上面的compute shader里，我们用

imageStore(output_image, pos.yx, result);

而不是

imageStore(output_image, pos.xy, result);

这是把原图翻转了一下。因此，如果继续对intermediate_image执行上面的compute shader，实际上就实现了对原图在第二个维度上执行此算法。

因此总的计算过程如下。

 1 computeProgram.Bind();
 2 glBindImageTexture(0, input_image[0], 0, false, 0, GL.GL_READ_WRITE, GL.GL_RGBA32F);
 3 glBindImageTexture(1, intermediate_image[0], 0, false, 0, GL.GL_READ_WRITE, GL.GL_RGBA32F);
 4 // 在X轴上执行边缘检测算法
 5 glDispatchCompute(1, 512, 1);
 6 // 确保所有compute shader请求都执行完成
 7 glMemoryBarrier(GL.GL_SHADER_IMAGE_ACCESS_BARRIER_BIT);
 8 
 9 glBindImageTexture(0, intermediate_image[0], 0, false, 0, GL.GL_READ_WRITE, GL.GL_RGBA32F);
10 glBindImageTexture(1, output_image[0], 0, false, 0, GL.GL_READ_WRITE, GL.GL_RGBA32F);
11 // 在Y轴上执行边缘检测算法
12 glDispatchCompute(1, 512, 1);
13 glMemoryBarrier(GL.GL_SHADER_IMAGE_ACCESS_BARRIER_BIT);

总结

经过这个例子，开始正视创建纹理过程中的各项参数。

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）