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使用计算着色器(Compute Shader)模拟粒子效果【OpenGL】【GLSL】

简介: 使用计算着色器(Compute Shader)模拟粒子效果【OpenGL】【GLSL】
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个人感觉计算着色器很像 CUDA,都是利用显卡的强大计算能力来加速,只不过 CUDA 仅适用于 N 卡,而计算着色器具有跨平台的能力(Shader Model 5.0以上才支持)


效果如图:

image.png

image.png

20170423172051680.gif

关键代码及注释如下:


C++ 代码

void initialize()
{
    // 计算着色器
    GLuint compute_shader = buildShader(
        &compute_shader_source, 
        GL_COMPUTE_SHADER, 
        "Error in compiling the compute shader\n");
 
    compute_prog = buildComputeProg(compute_shader);
 
    setupData();
    // ---------------------------------------------
    // 渲染着色器
    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++代码:

// 激活顶点/纹理属性
void setupData()
{
    dt_location = glGetUniformLocation(compute_prog, "dt");
 
    // 创建 VAO
    glGenVertexArrays(1, &render_vao);
    glBindVertexArray(render_vao);
 
    // 创建 VBO
    glGenBuffers(2, buffers);
 
    //glEnableVertexAttribArray(1); // 启用索引为 1 的顶点属性——粒子位置
    //glVertexAttribPointer(0, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, NULL); // 表明 buffer 内数据的格式
 
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, position_buffer);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, PARTICLE_COUNT * sizeof(glm::vec4), NULL, GL_DYNAMIC_COPY);   // 由于数据是不断变化的,所以需要动态拷贝
 
    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);   // 启用索引为 0 的顶点属性——粒子速度
    glVertexAttribPointer(0, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, NULL);   // 表明 buffer 内数据的格式
 
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, velocity_buffer); // 表明使用的 buffer 数据来源
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, PARTICLE_COUNT * sizeof(glm::vec4), NULL, GL_DYNAMIC_COPY);   // 由于数据是不断变化的,所以需要动态拷贝
 
    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);
 
    // ---------------------
    // 创建 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 将从 TBO 中获取数据,注意:buffers 是 position_buffer/velocity_buffer 的别名
    }
 
    // ---------------------
    // 创建 UBO
    glGenBuffers(1, &attractor_buffer);
    glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, attractor_buffer);
    glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, 32 * sizeof(glm::vec4), NULL, GL_STATIC_DRAW);  // 仅初始化,静态拷贝
 
    // attractor 的最后一位,表示粒子质量
    for (int i = 0; i < MAX_ATTRACTORS; i++)
    {
        attractor_masses[i] = 0.5f + randomFloat() * 0.5f;
    }
 
    glBindBufferBase(GL_UNIFORM_BUFFER, 0, attractor_buffer);
 
    // --------------------------------------
}

C++ 代码:

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 计算着色器,并绑定到 TBO(存储粒子的位置和速度)
    glUseProgram(compute_prog);
    glBindImageTexture(0, velocity_tbo, 0, GL_FALSE, 0, GL_READ_WRITE, GL_RGBA32F);// 既可读又可写,注意可以省去 glActiveTexture 的调用
    glBindImageTexture(1, position_tbo, 0, GL_FALSE, 0, GL_READ_WRITE, GL_RGBA32F);
    // 为 计算着色器传参——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);
    // 分发计算任务 num_groups_x * num_groups_y * num_groups_z
    glDispatchCompute(PARTICLE_GROUP_COUNT, 1, 1);
 
    // 同步 计算着色器的 Invocations 
    glMemoryBarrier(GL_SHADER_IMAGE_ACCESS_BARRIER_BIT);
 
    // 实时改变 MVP 矩阵
    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,并切换到 渲染着色器
    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]);    // 传入 MVP 矩阵
    glBindVertexArray(render_vao);  // 绑定 VAO
 
    glEnable(GL_BLEND);
    glBlendFunc(GL_ONE, GL_ONE);
    glPointSize(2.0f);
    glDrawArrays(GL_POINTS, 0, PARTICLE_COUNT); // 图元为 Points
 
    last_ticks = current_ticks;
 
    glutSwapBuffers();
}

计算着色器 GLSL代码:

#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)
{
    // 从 TBO 中取出数据,imageLoad 和 texelFetch 相似,因为省去了 filtering 的过程所以更高效
    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;
    }
    // 经过计算以后再写回 TBO
    imageStore(position_buffer, int(gl_GlobalInvocationID.x), pos); // 类似的还有 imageSize
    imageStore(velocity_buffer, int(gl_GlobalInvocationID.x), vel);
}
);

注:

image.png

1)


gl_WorkGroupSize:存储 local workgroup 的大小(三维)


gl_NumWorkGroups:存储了组在三个维度上的个数


gl_LocalInvocationID:当前 Invocation 在 local workgroup 中的位置(三维)

范围在 [uvec3(0), gl_WorkGroupSize - uvec3(1)] 之间


gl_LocalInvocationIndex:意义同上,区别在于它是一维的

它相当于 gl_LocalInvocationID.z * gl_WorkGroupSize.x * gl_WorkGroupSize.y + gl_LocalInvocationID.y * gl_WorkGroupSize.x + gl_LocalInvocationID.x



gl_GlobalInvocationID:当前 Invocation 在 global workgroup 中的位置(三维)


它相当于 gl_WorkGroupID * gl_WorkGroupSize + gl_LocalInvocationID


gl_WorkGroupID:当前 local workgroup 在 global workgroup 中的位置


范围在 [uvec3(0), gl_NumWorkGroups - uvec3(1)] 之间




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




3)可以通过 glGetProgramiv() 搭配 GL_MAX_COMPUTE_WORK_GROUP_SIZE 查询 Local workgroup 的大小;




4)shared 类型的变量,意味着位于同一 local workgroup 中的 Invocation 共享该变量,通常访问共享变量的性能要优于访问 image 和 shader storage buffer;




5)Invocation 的同步


barrier:同步同一个 local workgroup 的 Invocation,确保所有 Invocation 都到达 barrier 之后才能往下执行;


memoryBarrier:确保所有内存的写入操作在此之前都已完成(没有数据驻留在缓存或者计划放入缓存);


memoryBarrierAtomicCounter:等待所有更新原子计数器的操作完毕,才会继续执行;


memoryBarrierBuffer/memoryBarrierImage:等待所有写入 buffer 或 image 变量的操作都完成


memoryBarrierShared:等待所有更新 shared 变量的操作完毕,才会继续执行


❤ 但是以上这些函数并不能确保其他 invocation 都能到达这个点,所以仍然需要 barrier


groupMemoryBarrier 是高效版的 memoryBarrier,但是 groupMemoryBarrier 仅对 local workgroup 有效,而其他的 memoryBarrer 是全局的,即 global workgroup 的写入请求都已完成。



6)image类型(比如 imagebuffer )可用于一般化的数据存储。image 类型与 sampler 类型相似,有两点区别:其一,image 类型仅表示单层的纹理,并没有完整的 mipmap 链;其二,image 类型并不支持一些 sampler 操作,比如滤波(filtering)和深度比较。(注:image 类型在声明时还需要带上格式布局修饰符——format layout qualifier,[例如 rgba32f,具体可以参考 OpenGL 红宝书第八版第11章 P566 ] 需要和 glBindImageTexture 中的类型一致)




相关资料:


【OpenGL】向Shader中传递数据


GLAPI/glTexBuffer



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醉心于研究一些特效(用代码来画画),曾涉猎过图形图像视频处理 、计算机视觉 、增强现实/虚拟现实等技术领域,曾就职于美图。
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