CSharpGL(23)用ComputeShader實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的ParticleSimulator

我還沒(méi)有用過(guò)Compute Shader，所以現(xiàn)在把紅寶書(shū)里的例子拿來(lái)了，加入CSharpGL中。

效果圖

如下圖所示。

或者看視頻演示。

下面是紅寶書(shū)原版的代碼效果。

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下載

CSharpGL已在GitHub開(kāi)源，歡迎對(duì)OpenGL有興趣的同學(xué)加入（https://github.com/bitzhuwei/CSharpGL）

Compute Shader

Compute Shader的運(yùn)行與Vertex Shader等不同：它不在pipeline上運(yùn)行。調(diào)用它時(shí)用的是這樣的命令：

1 void glDispatchCompute(GLuint um_groups_x, Luint num_groups_y, GLuint num_groups_z);

Compute Shader把并行的計(jì)算單元看做一個(gè)global work group，它下面分為若干個(gè)local work group，local work group又分為若干個(gè)執(zhí)行單元。一個(gè)執(zhí)行單元對(duì)應(yīng)一次對(duì)Compute Shader的調(diào)用。目前我還不知道這種分為2級(jí)的設(shè)定有什么好處。

Compute Shader可以像其他Shader一樣操作紋理、buffer、原子計(jì)數(shù)器等資源；它也有一些特有的內(nèi)置變量（用于獲取此執(zhí)行單元的位置，即屬于哪個(gè)local work group，是第幾個(gè)）。

下面通過(guò)本文開(kāi)頭的ParticleSimulator的例子來(lái)學(xué)習(xí)一下如何使用Compute Shader。

Particle Simulator

設(shè)計(jì)

這個(gè)例子中，我們用Compute Shader來(lái)更新1百萬(wàn)個(gè)粒子的位置和速度。為了簡(jiǎn)單，我們不考慮粒子之間的碰撞問(wèn)題。

首先分配2個(gè)大緩存，一個(gè)存放粒子的速度，一個(gè)存放粒子的位置。每個(gè)時(shí)刻里，Compute Shader開(kāi)始運(yùn)行，并且每個(gè)請(qǐng)求都只處理一個(gè)單一的粒子。Compute Shader從緩存中讀取當(dāng)前的速度和位置，計(jì)算出新的速度和位置，然后寫(xiě)入緩存中。

然后設(shè)置幾個(gè)引力器，他們都有質(zhì)量和位置。每個(gè)粒子的質(zhì)量都視作1。每個(gè)粒子都受到這些引力器的作用。引力器的位置和質(zhì)量用一個(gè)uniform塊保存。

粒子還有生命周期，每次更新時(shí)都減少之。少到0時(shí)就重置為1，且重置其位置到原點(diǎn)附近。這樣模擬過(guò)程就能持續(xù)進(jìn)行下去。

模擬粒子的Compute Shader

此Compute Shader如下。

1 #version 430 core 2 // 引力器的位置和質(zhì)量 3 layout (std140, binding = 0) uniform attractor_block 4 { 5 vec4 attractor[64]; // xyz = position, w = mass 6 }; 7 // 每塊中粒子的數(shù)量為128 8 layout (local_size_x = 128) in; 9 // 使用兩個(gè)緩存來(lái)記錄粒子的速度和質(zhì)量 10 layout (rgba32f, binding = 0) uniform imageBuffer velocity_buffer; 11 layout (rgba32f, binding = 1) uniform imageBuffer position_buffer; 12 // 時(shí)間間隔 13 uniform float dt = 1.0; 14 15 void main(void) 16 { 17 // 讀取當(dāng)前粒子的速度和位置 18 vec4 vel = imageLoad(velocity_buffer, int(gl_GlobalInvocationID.x)); 19 vec4 pos = imageLoad(position_buffer, int(gl_GlobalInvocationID.x)); 20 21 int i; 22 // 更新位置和生命周期 23 pos.xyz += vel.xyz * dt; 24 pos.w -= 0.0008 * dt; 25 // 對(duì)每個(gè)引力器 26 for (i = 0; i < 4; i++) 27 { 28 // 計(jì)算受力情況并更新速度 29 vec3 dist = (attractor[i].xyz - pos.xyz); 30 vel.xyz += dt * dt * attractor[i].w * normalize(dist) / (dot(dist, dist) + 10.0); 31 } 32 // 如何粒子過(guò)期，重置它 33 if (pos.w <= 0.0) 34 { 35 pos.xyz = -pos.xyz * 0.01; 36 vel.xyz *= 0.01; 37 pos.w += 1.0f; 38 } 39 // 將新的速度和位置保存到緩存 40 imageStore(position_buffer, int(gl_GlobalInvocationID.x), pos); 41 imageStore(velocity_buffer, int(gl_GlobalInvocationID.x), vel); 42 }

初始化

創(chuàng)建2個(gè)緩存，把粒子的初始位置放到原點(diǎn)附近，生命周期在0~1之間隨機(jī)。

1 protected override void DoInitialize() 2 { 3 { 4 // 創(chuàng)建 compute shader program 5 var computeProgram = new ShaderProgram(); 6 var shaderCode = new ShaderCode(File.ReadAllText(@"Shaders\particleSimulator.comp"), ShaderType.ComputeShader); 7 var shader = shaderCode.CreateShader(); 8 computeProgram.Create(shader); 9 shader.Delete(); 10 this.computeProgram = computeProgram; 11 } 12 { 13 GL.GetDelegateFor<GL.glGenVertexArrays>()(1, render_vao); 14 GL.GetDelegateFor<GL.glBindVertexArray>()(render_vao[0]); 15 // 初始化粒子位置 16 GL.GetDelegateFor<GL.glGenBuffers>()(1, position_buffer); 17 GL.BindBuffer(BufferTarget.ArrayBuffer, position_buffer[0]); 18 var positions = new UnmanagedArray<vec4>(ParticleSimulatorCompute.particleCount); 19 unsafe 20 { 21 var array = (vec4*)positions.FirstElement(); 22 for (int i = 0; i < ParticleSimulatorCompute.particleCount; i++) 23 { 24 array[i] = new vec4( 25 (float)(random.NextDouble() - 0.5) * 20, 26 (float)(random.NextDouble() - 0.5) * 20, 27 (float)(random.NextDouble() - 0.5) * 20, 28 (float)(random.NextDouble()) 29 ); 30 } 31 } 32 GL.BufferData(BufferTarget.ArrayBuffer, positions, BufferUsage.DynamicCopy); 33 positions.Dispose(); 34 GL.GetDelegateFor<GL.glVertexAttribPointer>()(0, 4, GL.GL_FLOAT, false, 0, IntPtr.Zero); 35 GL.GetDelegateFor<GL.glEnableVertexAttribArray>()(0); 36 // 初始化粒子速度 37 GL.GetDelegateFor<GL.glGenBuffers>()(1, velocity_buffer); 38 GL.BindBuffer(BufferTarget.ArrayBuffer, velocity_buffer[0]); 39 var velocities = new UnmanagedArray<vec4>(ParticleSimulatorCompute.particleCount); 40 unsafe 41 { 42 var array = (vec4*)velocities.FirstElement(); 43 for (int i = 0; i < ParticleSimulatorCompute.particleCount; i++) 44 { 45 array[i] = new vec4( 46 (float)(random.NextDouble() - 0.5) * 0.2f, 47 (float)(random.NextDouble() - 0.5) * 0.2f, 48 (float)(random.NextDouble() - 0.5) * 0.2f, 49 0); 50 } 51 } 52 GL.BufferData(BufferTarget.ArrayBuffer, velocities, BufferUsage.DynamicCopy); 53 velocities.Dispose(); 54 // 把緩存綁定到TBO 55 GL.GenTextures(1, textureBufferPosition); 56 GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_BUFFER, textureBufferPosition[0]); 57 GL.GetDelegateFor<GL.glTexBuffer>()(GL.GL_TEXTURE_BUFFER, GL.GL_RGBA32F, position_buffer[0]); 58 GL.GenTextures(1, textureBufferVelocity); 59 GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_BUFFER, textureBufferVelocity[0]); 60 GL.GetDelegateFor<GL.glTexBuffer>()(GL.GL_TEXTURE_BUFFER, GL.GL_RGBA32F, velocity_buffer[0]); 61 62 // 初始化引力器 63 GL.GetDelegateFor<GL.glGenBuffers>()(1, attractor_buffer); 64 GL.BindBuffer(BufferTarget.UniformBuffer, attractor_buffer[0]); 65 GL.GetDelegateFor<GL.glBufferData>()(GL.GL_UNIFORM_BUFFER, 64 * Marshal.SizeOf(typeof(vec4)), IntPtr.Zero, GL.GL_DYNAMIC_COPY); 66 GL.GetDelegateFor<GL.glBindBufferBase>()(GL.GL_UNIFORM_BUFFER, 0, attractor_buffer[0]); 67 } 68 { 69 // 初始化渲染器 70 var visualProgram = new ShaderProgram(); 71 var shaderCodes = new ShaderCode[2]; 72 shaderCodes[0] = new ShaderCode(File.ReadAllText(@"Shaders\particleSimulator.vert"), ShaderType.VertexShader); 73 shaderCodes[1] = new ShaderCode(File.ReadAllText(@"Shaders\particleSimulator.frag"), ShaderType.FragmentShader); 74 var shaders = (from item in shaderCodes select item.CreateShader()).ToArray(); 75 visualProgram.Create(shaders); 76 foreach (var item in shaders) { item.Delete(); } 77 this.visualProgram = visualProgram; 78 } 79 } protected override void DoInitialize()

渲染

渲染循環(huán)

渲染過(guò)程有3個(gè)步驟，首先要更新引力器，然后更新粒子速度和位置，最后渲染出來(lái)。

1 float time = 0.0f; 2 protected override void DoRender(RenderEventArgs arg) 3 { 4 // 更新time和deltaTime 5 float deltaTime = (float)random.NextDouble() * 5; 6 time += (float)random.NextDouble() * 5; 7 8 // 更新引力器位置和質(zhì)量 9 GL.BindBuffer(BufferTarget.UniformBuffer, attractor_buffer[0]); 10 IntPtr attractors = GL.MapBufferRange(BufferTarget.UniformBuffer, 11 0, 64 * Marshal.SizeOf(typeof(vec4)), 12 MapBufferRangeAccess.MapWriteBit | MapBufferRangeAccess.MapInvalidateBufferBit); 13 unsafe 14 { 15 var array = (vec4*)attractors.ToPointer(); 16 for (int i = 0; i < 64; i++) 17 { 18 array[i] = new vec4( 19 (float)(Math.Sin(time * (float)(i + 4) * 7.5f * 20.0f)) * 50.0f, 20 (float)(Math.Cos(time * (float)(i + 7) * 3.9f * 20.0f)) * 50.0f, 21 (float)(Math.Sin(time * (float)(i + 3) * 5.3f * 20.0f)) 22 * (float)(Math.Cos(time * (float)(i + 5) * 9.1f)) * 100.0f, 23 ParticleSimulatorCompute.attractor_masses[i]); 24 } 25 } 26 27 GL.UnmapBuffer(BufferTarget.UniformBuffer); 28 GL.BindBuffer(BufferTarget.UniformBuffer, 0); 29 30 // 激活compute shader，綁定速度和位置緩存 31 computeProgram.Bind(); 32 GL.GetDelegateFor<GL.glBindImageTexture>()(0, textureBufferVelocity[0], 0, false, 0, GL.GL_READ_WRITE, GL.GL_RGBA32F); 33 GL.GetDelegateFor<GL.glBindImageTexture>()(1, textureBufferPosition[0], 0, false, 0, GL.GL_READ_WRITE, GL.GL_RGBA32F); 34 // 指定deltaTime 35 computeProgram.SetUniform("dt", deltaTime); 36 // 執(zhí)行compute shader 37 GL.GetDelegateFor<GL.glDispatchCompute>()(1000000, 1, 1); 38 // 確保compute shader的計(jì)算已完成 39 GL.GetDelegateFor<GL.glMemoryBarrier>()(GL.GL_SHADER_IMAGE_ACCESS_BARRIER_BIT); 40 41 42 // 渲染出粒子效果 43 visualProgram.Bind(); 44 mat4 view = arg.Camera.GetViewMat4(); 45 mat4 projection = arg.Camera.GetProjectionMat4(); 46 visualProgram.SetUniformMatrix4("mvp", (projection * view).to_array()); 47 GL.GetDelegateFor<GL.glBindVertexArray>()(render_vao[0]); 48 GL.Enable(GL.GL_BLEND); 49 GL.BlendFunc(GL.GL_ONE, GL.GL_ONE); 50 GL.DrawArrays(DrawMode.Points, 0, ParticleSimulatorCompute.particleCount); 51 GL.Disable(GL.GL_BLEND); 52 } protected override void DoRender(RenderEventArgs arg)

粒子著色程序

渲染粒子的vertex shader很簡(jiǎn)單。

1 #version 430 core 2 3 in vec4 position; 4 5 uniform mat4 mvp; 6 7 out float intensity; 8 9 void main(void) 10 { 11 intensity = position.w;//生命周期（0~1） 12 gl_Position = mvp * vec4(position.xyz, 1.0); 13 }

下面是fragment shader。粒子有生命周期，我們就據(jù)此賦予其不同的顏色。

1 #version 430 core 2 3 layout (location = 0) out vec4 color; 4 5 in float intensity; 6 7 void main(void) 8 { 9 color = vec4(0.0f, 0.2f, 1.0f, 1.0f) * intensity + vec4(0.2f, 0.05f, 0.0f, 1.0f) * (1.0f - intensity); 10 }

萬(wàn)事俱備，效果就出來(lái)了。

2016-05-17

嘗試新的粒子運(yùn)動(dòng)方式，效果如圖。

所需的compute shader代碼如下。

1 #version 430 core 2 3 layout (std140, binding = 0) uniform attractor_block 4 { 5 vec4 attractor[64]; // xyz = position, w = mass 6 }; 7 8 layout (local_size_x = 128) in; 9 10 layout (rgba32f, binding = 0) uniform imageBuffer velocity_buffer; 11 layout (rgba32f, binding = 1) uniform imageBuffer position_buffer; 12 13 uniform float dt = 1.0; 14 15 void main(void) 16 { 17 vec4 vel = imageLoad(velocity_buffer, int(gl_GlobalInvocationID.x)); 18 vec4 pos = imageLoad(position_buffer, int(gl_GlobalInvocationID.x)); 19 20 int i; 21 float factor = 0.05f; 22 pos.xyz += vel.xyz * dt; 23 pos.w -= factor * 0.025f * dt; 24 25 vel.xyz += vec3(0, factor * -0.02f, 0); 26 27 if (pos.w <= 0.0) 28 { 29 pos.xyz = -pos.xyz * 0.01; 30 vel.x = factor * sin(gl_GlobalInvocationID.x); 31 vel.y = factor * 3f; 32 vel.z = factor * cos(gl_GlobalInvocationID.x); 33 pos.w += 1.0f; 34 } 35 36 imageStore(position_buffer, int(gl_GlobalInvocationID.x), pos); 37 imageStore(velocity_buffer, int(gl_GlobalInvocationID.x), vel); 38 } 39 fountain effect

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總結(jié)

原CSharpGL的其他功能（3ds解析器、TTF2Bmp、CSSL等），我將逐步加入新CSharpGL。

歡迎對(duì)OpenGL有興趣的同學(xué)關(guān)注（https://github.com/bitzhuwei/CSharpGL）

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的CSharpGL(23)用ComputeShader实现一个简单的ParticleSimulator的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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