Unity基礎—Computer Shader

Computer Shader是什么?

　　Computer shader是一段運行在GPU上的一段程序。

什么時候用Computer shader?

　　假如我們把一個cube當作單獨的點，用許多個（cube）點來組成一個變換矩陣。
　　每幀cpu都需要對矩陣的點進行排序，批處理，將每個點位置復制給GPU，URP每幀需要執行兩次，DRP必須執行至少三遍。
　　當100*100個點時，也許我們的cpu可以輕松應對，但如果我們想組成分辨率更高的圖形，1000 * 1000,一百萬個點時，CPU和GPU的工作量會大大的增加，從而失去流暢的體驗。
　　而CS就是通過將工作轉移到GPU上，最大程度的減少CPU和GPU之前的通訊和數據傳輸量，從而提升渲染性能。總的來說，在需要高頻的重復計算時，我們使用CS;

創建一個計算着色器

Assets/Creats/Shader/Computer Shader,創建一個CS文件
打開文件可以看到如下

//第一個紅框中,聲明了一個kernel，相當於main函數。在一個cs文件里可以定義多個不同的kernel方法
#pragma kernel CSMain

//第二個紅框，定義前面聲明的CSMain函數
void CSMain(uint3 id:SV DispatchThreadID){};

在CSMain函數上面的numthreads(8,8,1)]是什么？我們需要了解一下線程組和線程的概念

線程組、線程

　　　當GPU執行CS時，會將其分成幾個組（線程組）,安排它們獨立和並行運行。每個小組由多個線程組成。

最左邊的是一個dispatch,由它決定分成幾個線程組並行。如圖所示，圖中有3x2x3個thread groups(線程組）
中間的是一個thread group，由一個個線程組成，每個線程有自己的相對位置。圖中有4x4x2個線程，在我們上文提到的numthreads(8,8,1)]，表示設置每個線程組的線程數8x8x1個；
最右邊的是單個線程。

需要注意的是，一個線程組中最大只支持1024個線程數

更近一步，看下圖

上半張圖是一個5x3x2的Dispatch,每個格子都代表着一個Thread Group
把坐標（2，1，0）的Thread Group打開，是一個10x8x3的Thread Group,每個格子里都是一個線程。
其中的幾個概念：
　　SV_GroupThreadID:該線程在當前線程組中的坐標，如下半圖中箭頭指向坐標（7，5，0）
　　SV_GroupID：該線程所在線程組在Dispatch的坐標（2，1，0）；
　　SV_DispatchThreadID：這是該線程全局唯一的ID，相當於在所有線程中該線程的坐標位置，算法為線程組大小＊線程數大小＋該線程坐標
　　SV_GroupIndex：該線程在該線程組中的索引，即線程在這個線程組中排在第幾個位置；
　　我們可以利用這些ID，定位我們的結構化緩沖區。

了解了這些概念，接下來我們可以做一個案例。通過計算着色器做一個動態的波浪矩陣；

1.首先創建一個C#文件，我們需要先創建組成矩陣的點，我們用Cube代替。

點的位置信息我們先不管，因為我們要交給計算着色器來計算。

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

2.接下來，我們需要一個緩沖區，用於給GPU計算的區域。通過new ComputeBuffer構造函數，第一個參數是我們要創建的緩沖區的長度，我們有一個矩陣的點 邊長*邊長的點的位置需要計算，所以我們第一個是resolution * resolution，第二個參數是每個點信息的內存大小，一個position是共有三個浮點數，所以是3 * 4個字節的大小；

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

分配了緩沖區，我們還需要在disable的時候將緩沖區釋放

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

3.還需要定義一個數組，用於存儲從GPU返回的位置信息。長度與我們的點數量是一樣的

   pointsArr = new Vector3[resolution * resolution];

Awake的代碼就是這些

   void Awake()
    {
        //位置緩沖區 在這里第一個參數是我們存放的矩陣點的數量 
        positions = new ComputeBuffer(resolution * resolution, 12);
        //從GPU返回的位置信息
        pointsArr = new Vector3[resolution * resolution];
        //點的實例數組
        points = new Transform[resolution * resolution];
        //創建點；
        for (int i = 0; i < points.Length; i++) {
            points[i]= Instantiate(prefab);
            points[i].SetParent(transform);
        }
    }

1.我們要GPU幫我們算出一個波浪矩陣的信息，那么總得給它傳遞一些信息數據才行。
要想要一個動態波浪的矩陣，隨着Time時間變化，Time這個信息我們需要傳過去。邊長，只有知道了邊長，GPU才知道我們的矩陣是什么構造，怎么波動。還需要給它把位置緩沖區傳過去，畢竟它需要靠這個給我們返回計算結果。我們通過它們的標識符進行傳遞。

   //獲得着色器屬性的存儲標識符
   static readonly int positionsId = Shader.PropertyToID("_Positions"),
   resolutionId = Shader.PropertyToID("_Resolution"),
   timeId = Shader.PropertyToID("_Time");
   void Update()
    {
        float time = Time.time;
	   //給着色器傳遞當前時間
        _ComputeShader.SetFloat(timeId, time);
	   //給着色器傳遞當前邊長
        _ComputeShader.SetInt(resolutionId, resolution);
	   //給着色器傳遞位置緩沖區
        _ComputeShader.SetBuffer(kernel, positionsId, positions);
    }

2.萬事具備，開始分派線程組，執行內核函數。線程組的分派也有些門道，比如我們現在是8080的矩陣，6400個點。而我們的一個線程組設置的是[8,8,1],那就是88*1=64點；那么怎么說也得把讓這些點有足夠的線程數用。那就是6400/64=100個組。如果多了幾個點，6500個點呢，那只能再把組數加上去。總之總組數，需要讓點夠用。但是也不能分配太多，否則會造成性能浪費。至於分配的組的形式，不管是[2,50,1],還是[100,1,1]，怎么方便怎么分配；

	//獲取內核函數的索引
   kernel = _ComputeShader.FindKernel("CSMain");
    //分派線程組，執行內核函數
   _ComputeShader.Dispatch(kernel, resolution/8, resolution/8, 1);

3.現在GPU並發執行了它的內核函數，但是我們怎么獲取它計算的結果呢；我們通過GetData獲取緩沖區的數據，並將它復制給你傳進去的參數PointArr,我們開頭定義的用來存儲從GPU返回的位置信息的數組，最后根據返回的信息，將點位置進行更新即可

	  //從位置緩沖區獲取結果 將結果復制給pointsArr
        positions.GetData(pointsArr);
        for (int i = 0; i < pointsArr.Length; i++)
        {
            //將各個點的位置更新
            points[i].localPosition = pointsArr[i];
        }

再看看計算着色器是怎么運作的
1.剛剛從C#,也就是CPU段傳過來了哪些信息呢。時間_Time,邊長_Resolution,位置緩沖區_Positions。我們需要用對應的變量存儲起來。變量命名是和前面的標識符獲取的屬性名對應的；

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

2.有了這些數據我們可以開始在內核函數內計算 需要的位置信息；[numthreads(8, 8, 1)],根據前面的概念解釋，我們知道這是一個線程組的規格，也就是88的一個二維矩形為一個線程組。
我們通過一個id參數，后面加我們需要獲取的類型SV_DispatchThreadID，獲取到當前線程在所有線程中的三維坐標，因為我們是單個線程組和dispatch設置的都是二維坐標，所以呈現在我們面前的總線程應該是一個（線程組.xdispatch.x）（線程組.ydispath.y)的二維矩形。而我們的點矩陣被總線程二維的
包含。下圖，我們假設線程組我設為[2,2,1],我們的邊長是5，所以把dispath設為[3,3,1],即9個線程組，這樣才可以完整覆蓋我們所有需要計算的點。但是有一行和一列是我們矩陣不需要的點，所以我們把這一行一列除外。即做了一個判斷，僅在id.x < _Resolution && id.y < _Resolution作為有效的點位置。

[numthreads(8, 8, 1)]
void CSMain(uint3 id : SV_DispatchThreadID)
{
	//獲取當前索引
	uint index=id.x + id.y * _Resolution;
	float3 position;
	//獲取的id.x
	position.x = id.x;
	position.z = id.y;
	//根據x的位置和時間的變化，讓y的位置變化起伏
	position.y = sin(PI * (position.x/10 + _Time));
	if (id.x < _Resolution && id.y < _Resolution) {
		_Positions[index] = position;
	}
}

效果圖

C#完整代碼

using UnityEngine;
public class WaveRect : MonoBehaviour
{
    //綁定一個計算着色器
    [SerializeField]
    ComputeShader _ComputeShader = default;
    //我們的cube實例
    [SerializeField]
    Transform prefab = default;
    //定義矩陣邊長 配置成可控制的范圍10-100；
    [SerializeField,Range(10,100)]
    int resolution = 10;
    //儲存我們實例的數組
    Transform[] points;
    //定義結構化緩沖區 用於給計算着色器 計算我們需要的點 的位置
    ComputeBuffer positions;
    //獲得着色器屬性的存儲標識符
    static readonly int positionsId = Shader.PropertyToID("_Positions"),
    resolutionId = Shader.PropertyToID("_Resolution"),
    timeId = Shader.PropertyToID("_Time");
    //存放由計算着色器也就是Gpu返回的點位置信息
    private Vector3[] pointsArr;
    void Awake()
    {
        //位置緩沖區 在這里第一個參數是我們存放的矩陣點的數量 
        positions = new ComputeBuffer(resolution * resolution, 12);
        //從GPU返回的位置信息
        pointsArr = new Vector3[resolution * resolution];
        //點的實例數組
        points = new Transform[resolution * resolution];
        //創建點；
        for (int i = 0; i < points.Length; i++) {
            points[i]= Instantiate(prefab);
            points[i].SetParent(transform);
        }
    }
    int kernel;
     void Update()
    {
        float time = Time.time;
        //給着色器傳遞當前時間
        _ComputeShader.SetFloat(timeId, time);
        //給着色器傳遞當前邊長
        _ComputeShader.SetInt(resolutionId, resolution);
        //給着色器傳遞位置緩沖區
        _ComputeShader.SetBuffer(kernel, positionsId, positions);
        kernel = _ComputeShader.FindKernel("CSMain");
        //分派線程組，執行內核函數
        int count = Mathf.CeilToInt(resolution / 8);
        _ComputeShader.Dispatch(kernel, count, count, 1);
        //從位置緩沖區獲取結果 將結果復制給pointsArr
        positions.GetData(pointsArr);
        for (int i = 0; i < pointsArr.Length; i++)
        {
            //將各個點的位置更新
            Debug.Log(i +"====="+ pointsArr[i]);
            points[i].localPosition = pointsArr[i];
        }
    }

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

CS完整代碼

// 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)
{
	//獲取當前索引
	uint index=id.x + id.y * _Resolution;
	float3 position;
	//獲取的id.x
	position.x = id.x;
	position.z = id.y;
	//根據x的位置和時間的變化，讓y的位置變化起伏
	position.y = sin(PI * (position.x/10 + _Time));
	if (id.x < _Resolution && id.y < _Resolution) {
		_Positions[index] = position;
	}
}

歡迎批評指正。原文博客http://xmxw.top/index.php/2021/04/19/unitybasic-computer-shader/;