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

网友投稿 1029 2022-05-30

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:

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();

}

#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)

{

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

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:

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

OpenGL

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