Unity基础—Computer Shader

Computer Shader是什么?

　　Computer shader是一段运行在GPU上的一段程序。

什么时候用Computer shader?

　　假如我们把一个cube当作单独的点，用许多个（cube）点来组成一个变换矩阵。

　　每帧cpu都需要对矩阵的点进行排序，批处理，将每个点位置复制给GPU，URP每帧需要执行两次，DRP必须执行至少三遍。

　　当100*100个点时，也许我们的cpu可以轻松应对，但如果我们想组成分辨率更高的图形，1000 * 1000,一百万个点时，CPU和GPU的工作量会大大的增加，从而失去流畅的体验。

　　而CS就是通过将工作转移到GPU上，最大程度的减少CPU和GPU之前的通讯和数据传输量，从而提升渲染性能。总的来说，在需要高频的重复计算时，我们使用CS;

创建一个计算着色器

Assets/Creats/Shader/Computer Shader,创建一个CS文件

打开文件可以看到如下

//第一个红框中,声明了一个kernel，相当于main函数。在一个cs文件里可以定义多个不同的kernel方法
#pragma kernel CSMain

//第二个红框，定义前面声明的CSMain函数
void CSMain(uint3 id:SV DispatchThreadID){};

在CSMain函数上面的numthreads(8,8,1)]是什么？我们需要了解一下线程组和线程的概念

线程组、线程

　　　当GPU执行CS时，会将其分成几个组（线程组）,安排它们独立和并行运行。每个小组由多个线程组成。

最左边的是一个dispatch,由它决定分成几个线程组并行。如图所示，图中有3x2x3个thread groups(线程组）

中间的是一个thread group，由一个个线程组成，每个线程有自己的相对位置。图中有4x4x2个线程，在我们上文提到的numthreads(8,8,1)]，表示设置每个线程组的线程数8x8x1个；

最右边的是单个线程。

需要注意的是，一个线程组中最大只支持1024个线程数

更近一步，看下图



上半张图是一个5x3x2的Dispatch,每个格子都代表着一个Thread Group

把坐标（2，1，0）的Thread Group打开，是一个10x8x3的Thread Group,每个格子里都是一个线程。

其中的几个概念：

　　SV_GroupThreadID:该线程在当前线程组中的坐标，如下半图中箭头指向坐标（7，5，0）

　　SV_GroupID：该线程所在线程组在Dispatch的坐标（2，1，0）；

　　SV_DispatchThreadID：这是该线程全局唯一的ID，相当于在所有线程中该线程的坐标位置，算法为线程组大小＊线程数大小＋该线程坐标

　　SV_GroupIndex：该线程在该线程组中的索引，即线程在这个线程组中排在第几个位置；

　　我们可以利用这些ID，定位我们的结构化缓冲区。

了解了这些概念，接下来我们可以做一个案例。通过计算着色器做一个动态的波浪矩阵；

1.首先创建一个C#文件，我们需要先创建组成矩阵的点，我们用Cube代替。

点的位置信息我们先不管，因为我们要交给计算着色器来计算。

 void Awake()
    {
        for (int i = 0; i < points.Length; i++) {
            points[i]= Instantiate(prefab);
            points[i].SetParent(transform);
        }
    }

2.接下来，我们需要一个缓冲区，用于给GPU计算的区域。通过new ComputeBuffer构造函数，第一个参数是我们要创建的缓冲区的长度，我们有一个矩阵的点 边长*边长的点的位置需要计算，所以我们第一个是resolution * resolution，第二个参数是每个点信息的内存大小，一个position是共有三个浮点数，所以是3 * 4个字节的大小；

  positions = new ComputeBuffer(resolution*resolution,12);

分配了缓冲区，我们还需要在disable的时候将缓冲区释放

  private void OnDisable()
    {
        positions.Release();
        positions = null;
    }

3.还需要定义一个数组，用于存储从GPU返回的位置信息。长度与我们的点数量是一样的

   pointsArr = new Vector3[resolution * resolution];

Awake的代码就是这些

   void Awake()
    {
        //位置缓冲区 在这里第一个参数是我们存放的矩阵点的数量
        positions = new ComputeBuffer(resolution * resolution, 12);
        //从GPU返回的位置信息
        pointsArr = new Vector3[resolution * resolution];
        //点的实例数组
        points = new Transform[resolution * resolution];
        //创建点；
        for (int i = 0; i < points.Length; i++) {
            points[i]= Instantiate(prefab);
            points[i].SetParent(transform);
        }
    }

1.我们要GPU帮我们算出一个波浪矩阵的信息，那么总得给它传递一些信息数据才行。

要想要一个动态波浪的矩阵，随着Time时间变化，Time这个信息我们需要传过去。边长，只有知道了边长，GPU才知道我们的矩阵是什么构造，怎么波动。还需要给它把位置缓冲区传过去，毕竟它需要靠这个给我们返回计算结果。我们通过它们的标识符进行传递。

   //获得着色器属性的存储标识符
   static readonly int positionsId = Shader.PropertyToID("_Positions"),
   resolutionId = Shader.PropertyToID("_Resolution"),
   timeId = Shader.PropertyToID("_Time");
   void Update()
    {
        float time = Time.time;
	   //给着色器传递当前时间
        _ComputeShader.SetFloat(timeId, time);
	   //给着色器传递当前边长
        _ComputeShader.SetInt(resolutionId, resolution);
	   //给着色器传递位置缓冲区
        _ComputeShader.SetBuffer(kernel, positionsId, positions);
    }

2.万事具备，开始分派线程组，执行内核函数。线程组的分派也有些门道，比如我们现在是8080的矩阵，6400个点。而我们的一个线程组设置的是[8,8,1],那就是88*1=64点；那么怎么说也得把让这些点有足够的线程数用。那就是6400/64=100个组。如果多了几个点，6500个点呢，那只能再把组数加上去。总之总组数，需要让点够用。但是也不能分配太多，否则会造成性能浪费。至于分配的组的形式，不管是[2,50,1],还是[100,1,1]，怎么方便怎么分配；

	//获取内核函数的索引
   kernel = _ComputeShader.FindKernel("CSMain");
    //分派线程组，执行内核函数
   _ComputeShader.Dispatch(kernel, resolution/8, resolution/8, 1);

3.现在GPU并发执行了它的内核函数，但是我们怎么获取它计算的结果呢；我们通过GetData获取缓冲区的数据，并将它复制给你传进去的参数PointArr,我们开头定义的用来存储从GPU返回的位置信息的数组，最后根据返回的信息，将点位置进行更新即可

	  //从位置缓冲区获取结果 将结果复制给pointsArr
        positions.GetData(pointsArr);
        for (int i = 0; i < pointsArr.Length; i++)
        {
            //将各个点的位置更新
            points[i].localPosition = pointsArr[i];
        }

再看看计算着色器是怎么运作的

1.刚刚从C#,也就是CPU段传过来了哪些信息呢。时间_Time,边长_Resolution,位置缓冲区_Positions。我们需要用对应的变量存储起来。变量命名是和前面的标识符获取的属性名对应的；

    RWStructuredBuffer <float3> _Positions;
	float _Time;
	uint _Resolution;

2.有了这些数据我们可以开始在内核函数内计算 需要的位置信息；[numthreads(8, 8, 1)],根据前面的概念解释，我们知道这是一个线程组的规格，也就是88的一个二维矩形为一个线程组。

我们通过一个id参数，后面加我们需要获取的类型SV_DispatchThreadID，获取到当前线程在所有线程中的三维坐标，因为我们是单个线程组和dispatch设置的都是二维坐标，所以呈现在我们面前的总线程应该是一个（线程组.xdispatch.x）（线程组.ydispath.y)的二维矩形。而我们的点矩阵被总线程二维的

包含。下图，我们假设线程组我设为[2,2,1],我们的边长是5，所以把dispath设为[3,3,1],即9个线程组，这样才可以完整覆盖我们所有需要计算的点。但是有一行和一列是我们矩阵不需要的点，所以我们把这一行一列除外。即做了一个判断，仅在id.x < _Resolution && id.y < _Resolution作为有效的点位置。

[numthreads(8, 8, 1)]
void CSMain(uint3 id : SV_DispatchThreadID)
{
	//获取当前索引
	uint index=id.x + id.y * _Resolution;
	float3 position;
	//获取的id.x
	position.x = id.x;
	position.z = id.y;
	//根据x的位置和时间的变化，让y的位置变化起伏
	position.y = sin(PI * (position.x/10 + _Time));
	if (id.x < _Resolution && id.y < _Resolution) {
		_Positions[index] = position;
	}
}

效果图

C#完整代码

using UnityEngine;
public class WaveRect : MonoBehaviour
{
    //绑定一个计算着色器
    [SerializeField]
    ComputeShader _ComputeShader = default;
    //我们的cube实例
    [SerializeField]
    Transform prefab = default;
    //定义矩阵边长 配置成可控制的范围10-100；
    [SerializeField,Range(10,100)]
    int resolution = 10;
    //储存我们实例的数组
    Transform[] points;
    //定义结构化缓冲区 用于给计算着色器 计算我们需要的点 的位置
    ComputeBuffer positions;
    //获得着色器属性的存储标识符
    static readonly int positionsId = Shader.PropertyToID("_Positions"),
    resolutionId = Shader.PropertyToID("_Resolution"),
    timeId = Shader.PropertyToID("_Time");
    //存放由计算着色器也就是Gpu返回的点位置信息
    private Vector3[] pointsArr;
    void Awake()
    {
        //位置缓冲区 在这里第一个参数是我们存放的矩阵点的数量
        positions = new ComputeBuffer(resolution * resolution, 12);
        //从GPU返回的位置信息
        pointsArr = new Vector3[resolution * resolution];
        //点的实例数组
        points = new Transform[resolution * resolution];
        //创建点；
        for (int i = 0; i < points.Length; i++) {
            points[i]= Instantiate(prefab);
            points[i].SetParent(transform);
        }
    }
    int kernel;
     void Update()
    {
        float time = Time.time;
        //给着色器传递当前时间
        _ComputeShader.SetFloat(timeId, time);
        //给着色器传递当前边长
        _ComputeShader.SetInt(resolutionId, resolution);
        //给着色器传递位置缓冲区
        _ComputeShader.SetBuffer(kernel, positionsId, positions);
        kernel = _ComputeShader.FindKernel("CSMain");
        //分派线程组，执行内核函数
        int count = Mathf.CeilToInt(resolution / 8);
        _ComputeShader.Dispatch(kernel, count, count, 1);
        //从位置缓冲区获取结果 将结果复制给pointsArr
        positions.GetData(pointsArr);
        for (int i = 0; i < pointsArr.Length; i++)
        {
            //将各个点的位置更新
            Debug.Log(i +"====="+ pointsArr[i]);
            points[i].localPosition = pointsArr[i];
        }
    }

    private void OnDisable()
    {
        positions.Release();
        positions = null;
    }
}

CS完整代码

// Each #kernel tells which function to compile; you can have many kernels
#pragma kernel CSMain;
#define PI 3.14159265358979323846

// Create a RenderTexture with enableRandomWrite flag and set it
// with cs.SetTexture
RWStructuredBuffer <float3> _Positions;
float _Time;
uint _Resolution;
[numthreads(8, 8, 1)]
void CSMain(uint3 id : SV_DispatchThreadID)
{
	//获取当前索引
	float3 position;
	position.x = id.x;
	position.z = id.y;
	position.y = sin(PI * (position.x/10 + _Time));
	if (id.x < _Resolution && id.y < _Resolution) {
		_Positions[id.x + id.y * _Resolution] = position;
	}
}

欢迎批评指正。原文博客http://xmxw.top/index.php/2021/04/19/unitybasic-computer-shader/;