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  core
 // 引力器的位置和质量
 layout (std140, binding = ) uniform attractor_block
 {
     vec4 attractor[]; // xyz = position, w = mass
 };
 // 每块中粒子的数量为128
 layout (local_size_x = ) in;
 // 使用两个缓存来记录粒子的速度和质量
 layout (rgba32f, binding = ) uniform imageBuffer velocity_buffer;
 layout (rgba32f, binding = ) 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 = ; i < ; 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(@"Shaders\particleSimulator.comp"), ShaderType.ComputeShader);
         var shader = shaderCode.CreateShader();
         computeProgram.Create(shader);
         shader.Delete();
         this.computeProgram = computeProgram;
     }
 {
         GL.GetDelegateFor<GL.glGenVertexArrays>()(, render_vao);
         GL.GetDelegateFor<GL.glBindVertexArray>()(render_vao[]);
         // 初始化粒子位置
         GL.GetDelegateFor<GL.glGenBuffers>()(, position_buffer);
         GL.BindBuffer(BufferTarget.ArrayBuffer, position_buffer[]);
         var positions = new UnmanagedArray<vec4>(ParticleSimulatorCompute.particleCount);
         unsafe
         {
             var array = (vec4*)positions.FirstElement();
             for (int i = ; i < ParticleSimulatorCompute.particleCount; i++)
             {
                 array[i] = new vec4(
                     (float)(random.NextDouble() - 0.5) * ,
                     (float)(random.NextDouble() - 0.5) * ,
                     (float)(random.NextDouble() - 0.5) * ,
                     (float)(random.NextDouble())
                     );
             }
         }
         GL.BufferData(BufferTarget.ArrayBuffer, positions, BufferUsage.DynamicCopy);
         positions.Dispose();
         GL.GetDelegateFor<GL.glVertexAttribPointer>()(, , GL.GL_FLOAT, false, , IntPtr.Zero);
         GL.GetDelegateFor<GL.glEnableVertexAttribArray>()();
         // 初始化粒子速度
         GL.GetDelegateFor<GL.glGenBuffers>()(, velocity_buffer);
         GL.BindBuffer(BufferTarget.ArrayBuffer, velocity_buffer[]);
         var velocities = new UnmanagedArray<vec4>(ParticleSimulatorCompute.particleCount);
         unsafe
         {
             var array = (vec4*)velocities.FirstElement();
             for (int i = ; 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,
                     );
             }
         }
         GL.BufferData(BufferTarget.ArrayBuffer, velocities, BufferUsage.DynamicCopy);
         velocities.Dispose();
         // 把缓存绑定到TBO
         GL.GenTextures(, textureBufferPosition);
         GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_BUFFER, textureBufferPosition[]);
         GL.GetDelegateFor<GL.glTexBuffer>()(GL.GL_TEXTURE_BUFFER, GL.GL_RGBA32F, position_buffer[]);
         GL.GenTextures(, textureBufferVelocity);
         GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_BUFFER, textureBufferVelocity[]);
         GL.GetDelegateFor<GL.glTexBuffer>()(GL.GL_TEXTURE_BUFFER, GL.GL_RGBA32F, velocity_buffer[]);

         // 初始化引力器
         GL.GetDelegateFor<GL.glGenBuffers>()(, attractor_buffer);
         GL.BindBuffer(BufferTarget.UniformBuffer, attractor_buffer[]);
         GL.GetDelegateFor<GL.glBufferData>()(GL.GL_UNIFORM_BUFFER,  * Marshal.SizeOf(typeof(vec4)), IntPtr.Zero, GL.GL_DYNAMIC_COPY);
         GL.GetDelegateFor<GL.glBindBufferBase>()(GL.GL_UNIFORM_BUFFER, , attractor_buffer[]);
     }
 {
     // 初始化渲染器
         var visualProgram = new ShaderProgram();
         var shaderCodes = new ShaderCode[];
         shaderCodes[] = new ShaderCode(File.ReadAllText(@"Shaders\particleSimulator.vert"), ShaderType.VertexShader);
         shaderCodes[] = new ShaderCode(File.ReadAllText(@"Shaders\particleSimulator.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;
     }
 }

protected override void DoInitialize()

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() * ;
     time += (float)random.NextDouble() * ;

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

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

     // 激活compute shader，绑定速度和位置缓存
     computeProgram.Bind();
     GL.GetDelegateFor<GL.glBindImageTexture>()(, textureBufferVelocity[], , false, , GL.GL_READ_WRITE, GL.GL_RGBA32F);
     GL.GetDelegateFor<GL.glBindImageTexture>()(, textureBufferPosition[], , false, , GL.GL_READ_WRITE, GL.GL_RGBA32F);
     // 指定deltaTime
     computeProgram.SetUniform("dt", deltaTime);
 // 执行compute shader
 GL.GetDelegateFor<GL.glDispatchCompute>()(1000000, , );
 // 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[]);
     GL.Enable(GL.GL_BLEND);
     GL.BlendFunc(GL.GL_ONE, GL.GL_ONE);
     GL.DrawArrays(DrawMode.Points, , ParticleSimulatorCompute.particleCount);
 GL.Disable(GL.GL_BLEND);
 }

protected override void DoRender(RenderEventArgs arg)

粒子着色程序

渲染粒子的vertex shader很简单。

 #version  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  core

 layout (location = ) 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  core

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

 layout (local_size_x = ) in;

 layout (rgba32f, binding = ) uniform imageBuffer velocity_buffer;
 layout (rgba32f, binding = ) 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(, factor * -0.02f, );

     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);
 }
  

fountain effect

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）