Version: 2018.4
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计算着色器

计算着色器是在显卡上并位于正常渲染管线之外运行的程序。它们可用于大规模并行的 GPGPU 算法,或用于加速游戏渲染的某些部分。为了有效使用它们,通常需要深入了解 GPU 架构和并行算法;并了解 DirectComputeOpenGL ComputeCUDAOpenCL

Unity 中的计算着色器与 DirectX 11 DirectCompute 技术紧密配合。计算着色器适用的平台:

  • Windows 和 Windows 应用商店,使用 DirectX 11 或 DirectX 12 图形 API 和 Shader Model 5.0 GPU

  • macOS 和 iOS,使用 Metal 图形 API

  • Android、Linux 和 Windows 平台,Vulkan API

  • 现代 OpenGL 平台(Linux 或 Windows 上的 OpenGL 4.3;Android 上的 OpenGL ES 3.1)。请注意,Mac OS X 不支持 OpenGL 4.3

  • 现代游戏主机(Sony PS4 和 Microsoft Xbox One)

在运行时可使用 SystemInfo.supportsComputeShaders 来查询计算着色器支持情况。

计算着色器资源

类似于常规着色器,计算着色器是项目中的资源文件,文件扩展名为 .compute。它们是以 DirectX 11 样式 HLSL 语言编写的,具有最少数量的 #pragma 编译指令来指示哪些函数将编译为计算着色器内核。

下面是计算着色器文件的基本示例,它使用红色填充输出纹理:

// test.compute

# pragma kernel FillWithRed

RWTexture2D<float4> res;

[numthreads(1,1,1)]
void FillWithRed (uint3 dtid : SV_DispatchThreadID)
{
    res[dtid.xy] = float4(1,0,0,1);
}

此处的语言是标准 DX11 HLSL,具有附加的 #pragma kernel FillWithRed 指令。一个计算着色器资源文件必须包含至少一个可以调用的 compute kernel,该函数由 #pragma directive 指示。文件中可以有更多内核;只需添加多个 #pragma kernel 行。

使用多个 #pragma kernel 行时,请注意在 #pragma kernel 指令的同一行上不允许 // text 样式的注释,如果使用,会导致编译错误。

可选择性地在 #pragma kernel 行后面添加要在编译该内核时定义的多个预处理器宏,例如:

# pragma kernel KernelOne SOME_DEFINE DEFINE_WITH_VALUE=1337
# pragma kernel KernelTwo OTHER_DEFINE
// ...

调用计算着色器

在脚本中,应定义 ComputeShader 类型的变量并分配对资源的引用。如此便可使用 ComputeShader.Dispatch 函数来调用它们。请参阅关于 ComputeShader 类的 Unity 文档以了解更多详细信息。

与计算着色器密切相关的是 ComputeBuffer 类,该类将定义任意数据缓冲区(在 DX11 术语中称为“结构化缓冲区”)。如果已设置“随机访问”标志(在 DX11 中称为“无序访问视图”),也可从计算着色器中写入渲染纹理。请参阅 RenderTexture.enableRandomWrite 以了解与此相关的更多信息。

计算着色器中的纹理采样器

纹理和采样器不是 Unity 中的单独对象,因此要在计算着色器中使用它们,必须遵循以下 Unity 特定规则之一:

  • 使用与纹理名称相同的名称,以 sampler 开头(例如,Texture2D MyTexSamplerState samplerMyTex)。在此情况下,采样器将初始化为纹理的过滤/包裹/各向异性 (filter/wrap/aniso) 设置。

  • 使用预定义采样器。因此,该名称必须具有 LinearPoint(对于过滤模式)和 ClampRepeat(包裹模式)。例如,SamplerState MyLinearClampSampler 会创建一个具有线性过滤模式和钳制包裹模式的采样器。

有关更多信息,请参阅采样器状态文档。

跨平台支持

与常规着色器一样,Unity 可将计算着色器从 HLSL 转换为其他着色器语言。因此,对于最简单的跨平台版本,应以 HLSL 编写计算着色器。但是,在执行此操作时需要考虑一些因素。

跨平台最佳实践

DirectX 11 (DX11) 支持在其他平台(如 MetalOpenGL ES)上不支持的许多操作。因此,应始终确保着色器在提供更少支持的平台(而不是仅在 DX11 上)上具有良好定义的行为。以下是要考虑的一些事项:

  • 越界内存访问是错误的。DX11 在读取时可能始终返回零,并且在读取某些写入时没有问题,但提供较少支持的平台可能会在执行此操作时导致 GPU 崩溃。密切注意特定于 DX11 的破解问题,与线程组大小倍数不匹配的缓冲区大小,试图从缓冲区的开头或结尾读取相邻的数据元素,以及类似的不兼容性。

  • 初始化您的资源。新缓冲区和纹理的内容是未定义的。有些平台可能会提供全零,但在其他平台上,可能会有某种内容(包括非数字)。

  • 绑定计算着色器声明的所有资源。即使您确定着色器在当前状态下由于分支而没有使用资源,仍必须确保有资源与其绑定。

平台特定差异

  • Metal(适用于 iOS 和 tvOS 平台)不支持对纹理的原子操作。Metal 也不支持对缓冲区的 GetDimensions 查询。如果需要,请将缓冲区大小信息作为常量传递给着色器。

  • OpenGL ES 3.1(适用于 Android、iOS、tvOS 平台)仅保证一次支持 4 个计算缓冲区。实际的实现通常支持更多数量,但在一般情况下,如果为 OpenGL ES 进行开发,应考虑在结构中对相关数据分组,而不是将每个数据项放在自己的缓冲区中。

仅限 HLSL 或仅限 GLSL 的计算着色器

通常情况下会以 HLSL 编写计算着色器文件,并自动将这些文件编译或转换到所有需要的平台中。但是,可以阻止转换为其他语言(即仅保留 HLSL 平台)或者手动编写 GLSL 计算代码。

以下信息仅适用于仅限 HLSL 或仅限 GLSL 的计算着色器,而不适用于跨平台版本。这是因为此信息可能导致计算着色器源代码被排除在某些平台之外。

  • 对于非 HLSL 平台,不会处理 CGPROGRAMENDCG 关键字包围的计算着色器源代码。

  • GLSLPROGRAMENDGLSL 关键字包围的计算着色器源代码视为 GLSL 源代码,并逐字发出。这仅在目标平台为 OpenGL 或 GLSL 平台时才奏效。还应注意,虽然自动转换的着色器遵循缓冲区上的 HLSL 数据布局,但是手动编写的 GLSL 着色器将遵循 GLSL 布局规则。



  • 2017–05–18 页面已修订并只进行了有限的编辑审查

  • 在 5.6 版中添加:SystemInfo.supportsComputeShaders、平台 macOS、iOS(使用 Metal)、Android、Linux、Windows(具有 Vulkan)

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