使用計算著色器（Compute Shader）模擬粒子效果【OpenGL】【GLSL】

個人感覺計算著色器很像 CUDA，都是利用顯卡的強大計算能力來加速，只不過 CUDA 僅適用于 N 卡，而計算著色器具有跨平臺的能力(Shader Model 5.0以上才支持)

效果如圖：

關鍵代碼及注釋如下：

C++ 代碼

void initialize()

{

// 計算著色器

GLuint compute_shader = buildShader(

&compute_shader_source,

GL_COMPUTE_SHADER,

"Error in compiling the compute shader\n");

compute_prog = buildComputeProg(compute_shader);

setupData();

// ---------------------------------------------

// 渲染著色器

GLuint vs = buildShader(

&render_vs,

GL_VERTEX_SHADER,

"Error in compiling the vertex shader\n");

GLuint fs = buildShader(

&render_fs,

GL_FRAGMENT_SHADER,

"Error in compiling the fragment shader\n");

render_prog = buildRenderProg(vs, fs);

// ---------------------------------------------

}

C++代碼：

// 激活頂點/紋理屬性

void setupData()

{

dt_location = glGetUniformLocation(compute_prog, "dt");

// 創建 VAO

glGenVertexArrays(1, &render_vao);

glBindVertexArray(render_vao);

// 創建 VBO

glGenBuffers(2, buffers);

//glEnableVertexAttribArray(1); // 啟用索引為 1 的頂點屬性——粒子位置

//glVertexAttribPointer(0, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, NULL); // 表明 buffer 內數據的格式

glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, position_buffer);

glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, PARTICLE_COUNT * sizeof(glm::vec4), NULL, GL_DYNAMIC_COPY); // 由于數據是不斷變化的，所以需要動態拷貝

glm::vec4 * positions = (glm::vec4 *)glMapBufferRange(GL_ARRAY_BUFFER,

0,

PARTICLE_COUNT * sizeof(glm::vec4),

GL_MAP_WRITE_BIT | GL_MAP_INVALIDATE_BUFFER_BIT);

for (int i = 0; i < PARTICLE_COUNT; i++)

{

positions[i] = glm::vec4(randomVector(-10.0f, 10.0f), randomFloat());

}

glUnmapBuffer(GL_ARRAY_BUFFER);

glEnableVertexAttribArray(0); // 啟用索引為 0 的頂點屬性——粒子速度

glVertexAttribPointer(0, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, NULL); // 表明 buffer 內數據的格式

glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, velocity_buffer); // 表明使用的 buffer 數據來源

glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, PARTICLE_COUNT * sizeof(glm::vec4), NULL, GL_DYNAMIC_COPY); // 由于數據是不斷變化的，所以需要動態拷貝

glm::vec4 * velocities = (glm::vec4 *)glMapBufferRange(GL_ARRAY_BUFFER,

0,

PARTICLE_COUNT * sizeof(glm::vec4),

GL_MAP_WRITE_BIT | GL_MAP_INVALIDATE_BUFFER_BIT);

for (int i = 0; i < PARTICLE_COUNT; i++)

{

velocities[i] = glm::vec4(randomVector(-0.1f, 0.1f), 0.0f);

}

glUnmapBuffer(GL_ARRAY_BUFFER);

// ---------------------

// 創建 TBO

glGenTextures(2, tbos);

for (int i = 0; i < 2; i++)

{

glBindTexture(GL_TEXTURE_BUFFER, tbos[i]);

glTexBuffer(GL_TEXTURE_BUFFER, GL_RGBA32F, buffers[i]); // ☆ VBO 將從 TBO 中獲取數據，注意：buffers 是 position_buffer/velocity_buffer 的別名

}

// ---------------------

// 創建 UBO

glGenBuffers(1, &attractor_buffer);

glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, attractor_buffer);

glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, 32 * sizeof(glm::vec4), NULL, GL_STATIC_DRAW); // 僅初始化，靜態拷貝

// attractor 的最后一位，表示粒子質量

for (int i = 0; i < MAX_ATTRACTORS; i++)

{

attractor_masses[i] = 0.5f + randomFloat() * 0.5f;

}

glBindBufferBase(GL_UNIFORM_BUFFER, 0, attractor_buffer);

// --------------------------------------

}

C++ 代碼：

void display()

{

static const GLuint start_ticks = ::GetTickCount() - 100000;

GLuint current_ticks = ::GetTickCount();

static GLuint last_ticks = current_ticks;

float time = ((start_ticks - current_ticks) & 0xFFFFF) / float(0xFFFFF);

float delta_time = (float)(current_ticks - last_ticks) * 0.075f;

// ----------------------------------------------------

// 映射 UBO

glm::vec4 * attractors = (glm::vec4 *)glMapBufferRange(GL_UNIFORM_BUFFER,

0,

32 * sizeof(glm::vec4),

GL_MAP_WRITE_BIT | GL_MAP_INVALIDATE_BUFFER_BIT);

int i;

for (i = 0; i < 32; i++)

{

attractors[i] = glm::vec4(

sinf(time * (float)(i + 4) * 7.5f * 20.0f) * 50.0f,

cosf(time * (float)(i + 7) * 3.9f * 20.0f) * 50.0f,

sinf(time * (float)(i + 3) * 5.3f * 20.0f) * cosf(time * (float)(i + 5) * 9.1f) * 100.0f,

attractor_masses[i]);

//std::cout << "attractors = " << attractors[i][0] << std::endl;

}

glUnmapBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER);

// ----------------------------------------------------

// 激活 計算著色器，并綁定到 TBO（存儲粒子的位置和速度）

glUseProgram(compute_prog);

glBindImageTexture(0, velocity_tbo, 0, GL_FALSE, 0, GL_READ_WRITE, GL_RGBA32F);// 既可讀又可寫，注意可以省去 glActiveTexture 的調用

glBindImageTexture(1, position_tbo, 0, GL_FALSE, 0, GL_READ_WRITE, GL_RGBA32F);

// 為 計算著色器傳參——delta time

// If dt is too large, the system could explode, so cap it to

// some maximum allowed value

if (delta_time >= 2.0f)

{

delta_time = 2.0f;

}

glUniform1f(dt_location, delta_time);

// 分發計算任務 num_groups_x * num_groups_y * num_groups_z

glDispatchCompute(PARTICLE_GROUP_COUNT, 1, 1);

// 同步 計算著色器的 Invocations

glMemoryBarrier(GL_SHADER_IMAGE_ACCESS_BARRIER_BIT);

// 實時改變 MVP 矩陣

glm::mat4 projection = glm::perspective(45.0f, aspect_ratio, 0.1f, 1000.0f);

glm::mat4 view = glm::mat4(1.f);

view = glm::translate(view, glm::vec3(0.0f, 0.0f, -60.0f));

view = glm::rotate(view, time * 100.0f, glm::vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f));

glm::mat4 mvp = projection * view;

// ----------------------------------------------------

// 清屏，并切換到 渲染著色器

glClearColor(0., 0., 0., 0.);

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

glDisable(GL_DEPTH_TEST);

glUseProgram(render_prog);

glUniformMatrix4fv(0, 1, GL_FALSE, (const GLfloat *)&mvp[0][0]); // 傳入 MVP 矩陣

glBindVertexArray(render_vao); // 綁定 VAO

glEnable(GL_BLEND);

glBlendFunc(GL_ONE, GL_ONE);

glPointSize(2.0f);

glDrawArrays(GL_POINTS, 0, PARTICLE_COUNT); // 圖元為 Points

last_ticks = current_ticks;

glutSwapBuffers();

}

#define STRINGIZE(a) #a

const char* compute_shader_source =

STRINGIZE(

#version 430 core\n

// Uniform Block

layout(std140, binding = 0) uniform attractor_block

{

vec4 attractor[64]; // xyz = position, w = mass

};

layout(local_size_x = 128) in;

layout(rgba32f, binding = 0) uniform imageBuffer velocity_buffer;

layout(rgba32f, binding = 1) uniform imageBuffer position_buffer;

uniform float dt = 1.0;

void main(void)

{

// 從 TBO 中取出數據，imageLoad 和 texelFetch 相似，因為省去了 filtering 的過程所以更高效

vec4 vel = imageLoad(velocity_buffer, int(gl_GlobalInvocationID.x));

vec4 pos = imageLoad(position_buffer, int(gl_GlobalInvocationID.x));

int i;

pos.xyz += vel.xyz * dt;

pos.w -= 0.0001 * dt;

for (i = 0; i < 4; i++)

{

vec3 dist = (attractor[i].xyz - pos.xyz);

vel.xyz += dt * dt * attractor[i].w * normalize(dist) / (dot(dist, dist) + 10.0);

}

if (pos.w <= 0.0)

{

pos.xyz = -pos.xyz * 0.01;

vel.xyz *= 0.01;

pos.w += 1.0f;

}

// 經過計算以后再寫回 TBO

imageStore(position_buffer, int(gl_GlobalInvocationID.x), pos); // 類似的還有 imageSize

imageStore(velocity_buffer, int(gl_GlobalInvocationID.x), vel);

}

);

注：

1）

gl_WorkGroupSize：存儲 local workgroup 的大小（三維）

gl_NumWorkGroups：存儲了組在三個維度上的個數

gl_LocalInvocationID：當前 Invocation 在 local workgroup 中的位置（三維）

范圍在 [uvec3(0), gl_WorkGroupSize?- uvec3(1)] 之間

gl_LocalInvocationIndex：意義同上，區別在于它是一維的

它相當于 gl_LocalInvocationID.z * gl_WorkGroupSize.x * gl_WorkGroupSize.y + gl_LocalInvocationID.y * gl_WorkGroupSize.x + gl_LocalInvocationID.x

gl_GlobalInvocationID：當前 Invocation 在 global workgroup 中的位置（三維）

它相當于 gl_WorkGroupID * gl_WorkGroupSize + gl_LocalInvocationID

gl_WorkGroupID：當前 local workgroup 在 global workgroup 中的位置

范圍在 [uvec3(0), gl_NumWorkGroups - uvec3(1)] 之間

2）local_size_x, local_size_y, local_size_z 聲明了 local workgroup 的大小；

3）可以通過 glGetProgramiv() 搭配 GL_MAX_COMPUTE_WORK_GROUP_SIZE 查詢 Local workgroup 的大小；

4）shared 類型的變量，意味著位于同一 local workgroup 中的 Invocation 共享該變量，通常訪問共享變量的性能要優于訪問 image 和 shader storage buffer；

5）Invocation 的同步

barrier：同步同一個 local workgroup 的 Invocation，確保所有 Invocation 都到達 barrier 之后才能往下執行；

memoryBarrier：確保所有內存的寫入操作在此之前都已完成（沒有數據駐留在緩存或者計劃放入緩存）；

memoryBarrierAtomicCounter：等待所有更新原子計數器的操作完畢，才會繼續執行；

memoryBarrierBuffer/memoryBarrierImage：等待所有寫入 buffer 或 image 變量的操作都完成

memoryBarrierShared：等待所有更新 shared 變量的操作完畢，才會繼續執行

? 但是以上這些函數并不能確保其他 invocation 都能到達這個點，所以仍然需要 barrier

groupMemoryBarrier 是高效版的 memoryBarrier，但是 groupMemoryBarrier 僅對 local workgroup 有效，而其他的 memoryBarrer 是全局的，即 global workgroup 的寫入請求都已完成。

6）image類型（比如 imagebuffer ）可用于一般化的數據存儲。image 類型與 sampler 類型相似，有兩點區別：其一，image 類型僅表示單層的紋理，并沒有完整的 mipmap 鏈；其二，image 類型并不支持一些 sampler 操作，比如濾波（filtering）和深度比較。（注：image 類型在聲明時還需要帶上格式布局修飾符——format layout qualifier，[例如 rgba32f，具體可以參考 OpenGL 紅寶書第八版第11章 P566 ] 需要和 glBindImageTexture 中的類型一致）

相關資料：

【OpenGL】向Shader中傳遞數據

GLAPI/glTexBuffer

OpenGL

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