Unity Compute Shader入门指南

Unity Compute Shader入门指南

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/yx314636922/article/details/136654305

Compute Shader是Unity中用于GPU通用计算的重要工具，它允许开发者直接利用GPU的并行计算能力来处理各种计算任务。本文将从GPU计算的基本原理出发，详细介绍Compute Shader的定义、优势和限制，并通过具体的代码示例展示如何在Unity中创建和使用Compute Shader。

一、原理概念

早期的GPU计算中，顶点着色和片元着色完全独立，顶点着色器不能读取纹理，开发者需要按照算力分配VS和FS的复杂度来保证效率，并且图形还需要经过一系列图形管线处理。如下图。

不过随着非图形计算的需求增大，出现了GPGPU（General Purpose GPU，GPU通用计算）业务场景，图形硬件开始引入一种统一的计算单元来处理vertex和pixel，不需要经过图形流水线而是直接用GPU并行计算。如下图，顶点着色和片元着色合并为“compute units”处理。【也有更复杂的内存系统】

• GPU包含很多compute units，每个compute unit又包含了：
  1. 若干SIMD units（(single instruction multiple data)），由它们来实际执行指令
  2. 每个SIMD unit可以对多个elements进行同一个操作
  3. 每个compute unit内部包含了一些local memory，可以用于不同shader stages之间的通信

实现这种计算的Shader，就是Compute Shader。

• 主要优势：

  1. 利用GPU的compute units实现高效并行计算
  2. 比vertex-frag的方式能更快交换数据，减少CPU bottleneck，避免使用昂贵的多Pass，灵活性更高
  3. 语义可以在图形、空间外

• 限制性：

  1. 不是所有效果都适合用compute shader，比如传统fs里做的很多简单后处理，用其反而降低效率
  2. 有些GPU架构缺少特定硬件，导致需要针对性设计、兼容
  3. 难开箱即用，需要不断测试优化

• 为了编写高效的compute shader，应该：

  1. 把一个大问题分成尽可能多的若干独立的work items，分得越多越好
  2. 尽量使用uniform变量，速度快，内存小
  3. 如果代码需要频繁访问内存，应当尽可能减少状态保存
  4. 一个线程组内避免使用分支
  5. 将for循环指令拆开

二、Unity Compute Shader

2.1 Compute Shader格式、参数含义

在Unity的中右键-Create-Shader-Compute Shader创建，后缀为 .compute 。

//声明kernel的函数名，至少有一个，可以定义预处理宏 
#pragma kernel CSMain
#pragma kernel KernelOne SOME_DEFINE DEFINE_WITH_VALUE=1337
#pragma kernel KernelTwo OTHER_DEFINE
// 可读写（Read和Write）二维纹理，直接Result[uint2(0,0)]来访问，rgba对应数据类型为float4
//官方除此以外还有RWBuffer和RWStructuredBuffer，见https://learn.microsoft.com/en-us/windows/win32/direct3dhlsl/sm5-object-rwtexture2d
RWTexture2D<float4> Result;
//定义一个线程组（Thread Group）中可以被执行的线程（Thread）总数量，即为X*Y*Z
//其值与Dispatch中设置的核函数numthreads对应
[numthreads(8,8,1)]
//SV_GroupID：线程组id，int3；如果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_GroupThreadID：线程组里线程的id，int3
//SV_DispatchThreadID：全局id，图片每个像素的坐标，int3；例如一个线程组有(X,Y,Z)个线程，SV_GroupID=(a,b,c)的线程组里的SV_GroupThreadID=(i,j,k)的线程的SV_DispatchThreadID为：(a*X+i, b*Y+j, c*Z+k)
//SV_GroupIndex：int，线程组内的某个线程的下标，（8里边的第几个），假如有(X,Y,Z)个线程，第一个线程(0,0,0)=0，(1,0,0)=1，(1,0,0)=2，...,(0,1,0)=X，...，(0,0,1)=X*Y
void CSMain (uint3 groupId : SV_GroupID,
    uint3 groupThreadId : SV_GroupThreadID,
    uint3 id : SV_DispatchThreadID,
    uint groupIndex : SV_GroupIndex)
{
    Result[id.xy] = float4(id.x & id.y, (id.x & 15)/15.0, (id.y & 15)/15.0, 0.0);
}

2.2 调用

普通shader直接在材质上使用即可，compute shader还需要在C#文件中专门调用才能使用。

public class testCompute : MonoBehaviour
{
    private RenderTexture texture;
    public ComputeShader computeShader;
    public Material material;
    private int kernal;
    void Start()
    {
        texture = new RenderTexture(256, 256, 16);
        texture.enableRandomWrite = true;
        texture.Create();
        kernal = computeShader.FindKernel("CSMain");
    
        material.SetTexture("_BaseMap", texture);
    }
    void Update()
    {
        computeShader.SetTexture(kernal, "Result", texture);
        computeShader.Dispatch(kernal, 256 / 8, 256 / 8, 1);
    }
}

默认效果：