深入理解ComputeShader

一、ComputeShader排序

1、ComputeShader是一種在GPU上執行的程序，它被廣泛應用於高性能計算和圖形渲染領域。在介紹ComputeShader之前，讓我們先了解一下傳統的渲染管線。

void Render()
{
    // 頂點着色器(Vertex Shader)
    // 三角形裝配(Triangle Assembly)
    // 光柵化(Rasterization)
    // 像素着色器(Pixel Shader)
    // 輸出到幀緩衝區(Frame Buffer)
}

2、以上的渲染管線是現代圖形渲染的核心，但是，它並不適用於所有情況。比如，當我們需要進行大量的通用計算時，傳統的渲染管線很難勝任，這時我們需要一種全新的渲染方式。這就是ComputeShader的出現背景。

3、ComputeShader和傳統的渲染管線不同，它並不涉及頂點和三角形的處理，它的作用主要是在GPU上執行計算。在ComputeShader中，我們可以通過編寫算法來對數據進行處理，比如排序、求和、搜索等等。基本的ComputeShader程序長這樣：

#pragma kernel ComputeShaderFunction
RWTexture2D ResultTexture;

[numthreads(32, 32, 1)]
void ComputeShaderFunction(uint3 DispatchThreadID : SV_DispatchThreadID)
{
    // 在這裡編寫算法
}

4、在以上的程序中，我們定義了一個ComputeShader函數ComputeShaderFunction，該函數接收一個DispatchThreadID參數，用於獲取當前線程的索引。通過這個函數，我們可以對輸入數據進行處理，並將結果輸出到RWTexture2D中。

5、舉個例子，如果我們需要對一個包含10萬個元素的數組進行排序，可以使用ComputeShader實現。具體程序如下：

// CPU端代碼
Texture2D inputTexture; // 用於輸入數據
RWTexture2D outputTexture; // 用於輸出結果

int groupSize = 256; // 每個線程組中有256個線程
int dispatchSize = (inputTextureWidth + groupSize - 1) / groupSize;

ComputeShaderKernel.Dispatch(dispatchSize, dispatchSize, 1); // 執行ComputeShader

// ComputeShader中的代碼
[numthreads(256, 1, 1)]
void ComputeShaderFunction(uint3 DispatchThreadID : SV_DispatchThreadID)
{
    int id = DispatchThreadID.x;
    // 根據線程索引計算數組索引
    int idx = id + DispatchThreadID.y * 256;
    // 每個線程讀取一個元素
    float4 value = inputTexture.Load(int3(idx, 0, 0));
    // 對元素進行排序
    // ...
    // 將排序後的元素寫入輸出Texture
    outputTexture[int3(idx, 0, 0)] = value;
}

6、以上的程序中，我們將輸入數據保存在CPU端的Texture2D中，計算結果保存在GPU端的RWTexture2D中。通過調用Dispatch方法執行ComputeShader，在ComputeShader中，每個線程讀取一個元素，進行處理後將其寫入輸出Texture中，最終得到排序結果。

二、ComputeShader HIZ

1、ComputeShader HIZ是一種基於ComputeShader的層次化裁剪技術，它可以實現高效的渲染遮擋剔除。HIZ全稱為Hierarchical Z-Buffer，它的原理是將場景按照深度值進行層次化劃分，對每一層進行可見性測試，剔除不可見的像素，從而提高渲染效率。

2、在HIZ中，我們需要通過ComputeShader計算每個層次的深度值和可見性，並且將結果保存在MipMap中。由於MipMap是一種自適應紋理，可以根據場景的層次化結構進行分層，並且可以通過紋理採樣的方式進行快速訪問，因此非常適合用於HIZ技術。

3、以下是一個簡單的HIZ示例程序：

// 在CPU端創建一個包含深度信息的紋理
Texture2D depthTexture;

// 在GPU端創建一個空的MipMap紋理
Texture2D mipTexture;
mipTexture.MipLevels = log2(max(width, height));
mipTexture.Initialize();
RWTexture2D rwMipTexture = mipTexture;

// 執行HIZ算法
for (int i = 0; i > i);
    int mipHeight = max(1, height >> i);

    // 計算當前層次的採樣半徑
    int sampleRadius = pow(2, i);

    // 調用ComputeShader進行計算
    ComputeShaderKernel.Dispatch(mipWidth, mipHeight, 1);
}

// 在ComputeShader中進行可見性計算
[numthreads(32, 32, 1)]
void ComputeShaderFunction(uint3 DispatchThreadID : SV_DispatchThreadID)
{
    // 獲取當前像素的坐標
    int x = DispatchThreadID.x;
    int y = DispatchThreadID.y;

    // 根據坐標計算深度值
    float depthValue = depthTexture.Load(int3(x, y, 0));

    // 求解可見性
    bool isVisible = true;
    for (int i = 0; i > i, y >> i, i + 1));
        if (depthValue > (mipLevels - 1), y >> (mipLevels - 1), 0)] = isVisible ? 1.0f : 0.0f;
}

三、ComputeShader性能優化

1、和傳統的計算機程序一樣，ComputeShader程序也需要進行性能優化。以下是一些常見的ComputeShader性能優化技巧。

2、使用合適的線程組尺寸。線程組的尺寸會影響到ComputeShader的性能，一個合適的線程組尺寸可以讓ComputeShader達到最佳的執行效率。

3、避免使用全局內存。全局內存是一種非常慢的內存類型，不如寄存器和共享內存快。因此在ComputeShader中避免使用全局內存。

4、使用共享內存。共享內存是一段供線程組內所有線程共享的內存，它的訪問速度比全局內存快很多。在ComputeShader中，可以使用GroupShared關鍵字定義共享內存。

5、使用內聯函數。在ComputeShader中使用內聯函數可以有效地減少代碼量，提高程序的執行效率。

6、使用SIMD指令。GPU支持SIMD指令，這意味着所有的線程可以同時執行相同的指令，從而提高了執行效率。