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计算着色器

Compute shaders are programs that run on the graphics card, outside of the normal rendering pipeline. They can be used for massively parallel GPGPU algorithms, or to accelerate parts of game rendering. In order to efficiently use them, an in-depth knowledge of GPU architectures and parallel algorithms is often needed; as well as knowledge of DirectCompute, OpenGL Compute, OpenCL, CUDA, or OpenCL.

Unity 中的计算着色器与 DirectX 11 DirectCompute 技术紧密配合。计算着色器适用的平台:

  • Windows 和 Windows 应用商店,使用 DirectX 11 或 DirectX 12 图形 API 和 Shader Model 5.0 GPU

  • macOS 和 iOS,使用 Metal 图形 API

  • Android、Linux 和 Windows 平台,Vulkan API

  • 现代 OpenGL 平台(Linux 或 Windows 上的 OpenGL 4.3;Android 上的 OpenGL ES 3.1)。请注意,Mac OS X 不支持 OpenGL 4.3

  • 现代游戏主机(Sony PS4 和 Microsoft Xbox One)

在运行时可使用 SystemInfo.supportsComputeShaders 来查询计算着色器支持情况。

计算着色器资源

类似于常规着色器,计算着色器是项目中的资源文件,文件扩展名为 .compute。它们是以 DirectX 11 样式 HLSL 语言编写的,具有最少数量的 #pragma 编译指令来指示哪些函数将编译为计算着色器内核。

下面是计算着色器文件的基本示例,它使用红色填充输出纹理:

// test.compute

# pragma kernel FillWithRed

RWTexture2D<float4> res;

[numthreads(1,1,1)]
void FillWithRed (uint3 dtid : SV_DispatchThreadID)
{
    res[dtid.xy] = float4(1,0,0,1);
}

The language is standard DX11 HLSL, with the only exception of a #pragma kernel FillWithRed directive. One compute shader Asset file must contain at least onecompute kernel that can be invoked, and that function is indicated by the #pragma directive. There can be more kernels in the file; just add multiple #pragma kernel lines.

使用多个 #pragma kernel 行时,请注意在 #pragma kernel 指令的同一行上不允许 // text 样式的注释,如果使用,会导致编译错误。

可选择性地在 #pragma kernel 行后面添加要在编译该内核时定义的多个预处理器宏,例如:

# pragma kernel KernelOne SOME_DEFINE DEFINE_WITH_VALUE=1337
# pragma kernel KernelTwo OTHER_DEFINE
// ...

调用计算着色器

在脚本中,应定义 ComputeShader 类型的变量并分配对资源的引用。如此便可使用 ComputeShader.Dispatch 函数来调用它们。请参阅关于 ComputeShader 类的 Unity 文档以了解更多详细信息。

Closely related to compute shaders is a ComputeBuffer class, which defines arbitrary data buffer (“structured buffer” in DX11 lingo). {Render Textures](../ScriptReference/RenderTexture.html) can also be written into from compute shaders, if they have “random access” flag set (“unordered access view” in DX11). See RenderTexture.enableRandomWrite to learn more about this.

计算着色器中的纹理采样器

纹理和采样器不是 Unity 中的单独对象,因此要在计算着色器中使用它们,必须遵循以下 Unity 特定规则之一:

  • 使用与纹理名称相同的名称,以 sampler 开头(例如,Texture2D MyTexSamplerState samplerMyTex)。在此情况下,采样器将初始化为纹理的过滤/包裹/各向异性 (filter/wrap/aniso) 设置。

  • 使用预定义采样器。因此,该名称必须具有 LinearPoint(对于过滤模式)和 ClampRepeat(包裹模式)。例如,SamplerState MyLinearClampSampler 会创建一个具有线性过滤模式和钳制包裹模式的采样器。

跨平台支持

与常规着色器一样,Unity 可将计算着色器从 HLSL 转换为其他着色器语言。因此,对于最简单的跨平台版本,应以 HLSL 编写计算着色器。但是,在执行此操作时需要考虑一些因素。

跨平台最佳实践

DirectX 11 (DX11) 支持在其他平台(如 MetalOpenGL ES)上不支持的许多操作。因此,应始终确保着色器在提供更少支持的平台(而不是仅在 DX11 上)上具有良好定义的行为。以下是要考虑的一些事项:

  • 越界内存访问是错误的。DX11 在读取时可能始终返回零,并且在读取某些写入时没有问题,但提供较少支持的平台可能会在执行此操作时导致 GPU 崩溃。密切注意特定于 DX11 的破解问题,与线程组大小倍数不匹配的缓冲区大小,试图从缓冲区的开头或结尾读取相邻的数据元素,以及类似的不兼容性。

  • 初始化您的资源。新缓冲区和纹理的内容是未定义的。有些平台可能会提供全零,但在其他平台上,可能会有某种内容(包括非数字)。

  • 绑定计算着色器声明的所有资源。即使您确定着色器在当前状态下由于分支而没有使用资源,仍必须确保有资源与其绑定。

平台特定差异

  • Metal (for iOS and tvOS platforms) does not support atomic operations on Textures. Metal also does not support GetDimensions queries on buffers. Pass the buffer size info as constant to the shader if needed.

  • OpenGL ES 3.1 (for (Android, iOS, tvOS, Tizen platforms) only guarantees support for 4 compute buffers at a time. Actual implementations typically support more, but in general if developing for OpenGL ES, you should consider grouping related data in structs rather than having each data item in its own buffer.

仅限 HLSL 或仅限 GLSL 的计算着色器

通常情况下会以 HLSL 编写计算着色器文件,并自动将这些文件编译或转换到所有需要的平台中。但是,可以阻止转换为其他语言(即仅保留 HLSL 平台)或者手动编写 GLSL 计算代码。

以下信息仅适用于仅限 HLSL 或仅限 GLSL 的计算着色器,而不适用于跨平台版本。这是因为此信息可能导致计算着色器源代码被排除在某些平台之外。

  • 对于非 HLSL 平台,不会处理 CGPROGRAMENDCG 关键字包围的计算着色器源代码。

  • GLSLPROGRAMENDGLSL 关键字包围的计算着色器源代码视为 GLSL 源代码,并逐字发出。这仅在目标平台为 OpenGL 或 GLSL 平台时才奏效。还应注意,虽然自动转换的着色器遵循缓冲区上的 HLSL 数据布局,但是手动编写的 GLSL 着色器将遵循 GLSL 布局规则。


  • 2017–05–18 Page amended with limited editorial review - Leave page feedback

  • 在 5.6 版中添加:SystemInfo.supportsComputeShaders、平台 macOS、iOS(使用 Metal)、Android、Linux、Windows(具有 Vulkan)

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