Vulkan Samples 阅读 -- Compute Shader（一）: Image Processing & GPU Particle system

Image Processing

prepare

• loadAssets：加载贴图
• generateQuad: 生成一个带UV的画板模型
• setupVertexDescriptions: 绑定画板模型资源
• prepareUniformBuffers
  • createBuffer
  • updateUniformBuffers
• prepareTextureTarget: 为 compute shader 计算结果准备一个贴图作为容器
  • vkCreateImage
  • vkGetImageMemoryRequirements
  • vkAllocateMemory
  • vkBindImageMemory
  • createCommandBuffer
  • setImageLayout
  • flushCommandBuffer
  • vkCreateSampler
  • vkCreateImageView
• setupDescriptorSetLayout
  • vkCreateDescriptorSetLayout
  • vkCreatePipelineLayout
• preparePipelines
  • vkCreateGraphicsPipelines：Rendering pipeline
• setupDescriptorPool
• setupDescriptorSet :
  • Input image (before compute post processing)
    • vkUpdateDescriptorSets
  • Final image (after compute shader processing)
    • vkUpdateDescriptorSets
• prepareGraphics
  • vkCreateSemaphore: 创建信号, 用于计算与图形管线同步
• prepareCompute: 准备compute shader 资源
  • vkGetDeviceQueue: 创建一个compute queue
  • Create compute pipeline: 注意: computer shader 创建一定要与图形管线创建分开创建
    • VkDescriptorSetLayoutBinding
      • Binding 0: Input image (read-only)
      • Binding 1: Output image (write)
    • vkCreateDescriptorSetLayout
    • vkCreatePipelineLayout
    • vkAllocateDescriptorSets
    • vkUpdateDescriptorSets
    • Create compute shader pipelines
      • vkCreateComputePipelines: 注意这个函数, 是为compute shader 专业的创建函数
      • vkCreateCommandPool
      • vkAllocateCommandBuffers
      • vkCreateSemaphore
      • vkQueueSubmit
      • vkQueueWaitIdle
    • buildComputeCommandBuffer
      • vkQueueWaitIdle
      • vkBeginCommandBuffer
      • vkCmdBindPipeline
      • vkCmdBindDescriptorSets
      • vkCmdDispatch: 工作组发送到计算管线
      • vkEndCommandBuffer
• buildCommandBuffers:
  • loop
    • vkBeginCommandBuffer
    • vkCmdPipelineBarrier
      • compute shader 计算完成的图片需要在pass开始之前 Barrier 到管线
    • vkCmdBeginRenderPass
    • vkCmdSetViewport
    • vkCmdSetScissor
    • vkCmdBindVertexBuffers
    • vkCmdBindIndexBuffer
    • Left (pre compute): 显示的左边管线
      • vkCmdBindDescriptorSets
      • vkCmdBindPipeline
      • vkCmdDrawIndexed
    • Right (post compute): 显示在右边的使用compute shader的管线
      • vkCmdBindDescriptorSets
      • vkCmdBindPipeline
      • vkCmdSetViewport
      • vkCmdDrawIndexed
    • drawUI
    • vkCmdEndRenderPass
    • vkEndCommandBuffer

render

• draw
  • Submit graphics commands
    • submitInfo.pCommandBuffers = &drawCmdBuffers[currentBuffer];
      • 提交渲染为管线渲染,这里没有走computeshader
    • vkQueueSubmit
  • submitFrame
  • Wait for rendering finished
  • Submit compute commands
    • computeSubmitInfo.pCommandBuffers = &compute.commandBuffer;
      • 这里绑定的了compute的buffer 走computeshader管线
  • vkQueueSubmit
• updateUniformBuffers

shader

• emboss

  • layout (local_size_x = 16, local_size_y = 16) in;
    • 本地工作组16*16
    • vkCmdDispatch(compute.commandBuffer, textureComputeTarget.width / 16, textureComputeTarget.height / 16, 1);
    • 每个维度全局工作组尺寸为宽高/本地工作组维度size
      • 因此一张贴图得每个像素对应的工作组坐标为gl_GlobalInvocationID.xy
      • 公式为: gl_LocalInvocationID=gl_WorkGroupID * gl_WorkGroupSize + gl_LocalInvocationID
    • 因此写图使用以下代码
      • imageStore(resultImage, ivec2(gl_GlobalInvocationID.xy), res);
  • 只读权限uniform: 需要注意的是这里使用uniform而不是sampler
    • layout (binding = 0, rgba8) uniform readonly image2D inputImage;
    • 使用imageLoad函数获取像素, uv坐标 = ivec2(gl_GlobalInvocationID.x , gl_GlobalInvocationID.y )
  • 输出图片
    • layout (binding = 1, rgba8) uniform image2D resultImage;
      -使用imageStore()存储

• 本节三个计算着色器代码结构相同, 只是具体使用算法不同

• VS:自认为是显示表示输出顶点

out gl_PerVertex
{
	vec4 gl_Position;
};

Compute Shader

注: 引用 https://blog.youkuaiyun.com/panda1234lee/article/details/51777980

• glDispatchCompute: 把工作组发送到计算管线上
• glDispatchComputeIndirect: 使用存储在缓冲区对象上的参数来发送计算任务
• GL_MAX_COMPUTE_WORK_GROUP_SIZE
• 计算着色器中执行单元的总数是: N维数组大小乘以着色器定义的本地工作组的大小
• 计算着色器可以访问所有其他着色器能访问的资源
• uvec3 gl_WorkGroupSize: 本地工作组大小的常数(local_size_x，local_size_y, local_size_x，local_sizez)
• gl_NumWorkGroups: 向量(num_groups_x，num_groups_y和 num_groups_z)
• gl_LocalInvocationID : 当前执行单元在本地工作组中的位置
• gl_WorkGroupID :本地工作组在全局工作组中的位置
• gl_GlobalInvocationID : 由gl_LocalInvocationID、gl_WorkGroupSize和gl_WorkGroupID派生而来
  • gl_WorkGroupID * gl_WorkGroupSize + gl_LocalInvocationID
  • 它是当前执行单元在全局工作组中的位置的一种有效的3维索引
• gl_LocalInvocationIndex:
  • gl_LocalInvocationID.zgl_WorkGroupSize.xgl_WorkGroupSize.y+gl_LocalInvocationID.y * gl_WorkGroupSize.x + gl_LocalInvocationID.x.
  • 用1维的索引来代表2维或3维的数据。
• shared关键字: 设置共享变量, 对同一个本地工作组内的所有计算着色器请求可见
• 通常访问共享shared变量的性能会远远好于访问图像或者着色器存储缓存(shader storage buffer)（例如主内存）的性能
• GL_MAX_COMPUTE_SHARED_MEMORY_SIZE
• 同步
  • 运行屏障（ execution barrier）
  • 内存屏障（ memory barrier）
  • roupMemoryBarrier()

小结

   本节主要讲compute shader基础. 引入工作组的概念. 虽然这是第一次接触compute shader. 但是感觉计算管线的设置与CUDA程序很像. 因为有CUDA编程基础, 所以还是很容易上手的.

GPU Particle system

prepare

• graphics.queueFamilyIndex
• compute.queueFamilyIndex
  • 前两个的参数设置为了区别计算队列与图形队列
• loadAssets：加载粒子使用的贴图
• setupDescriptorPool
  • 这里多设置了一个池: VK_DESCRIPTOR_TYPE_STORAGE_BUFFER
  • vkCreateDescriptorPool
• prepareGraphics
  • prepareStorageBuffers
    • std::vector particleBuffer(PARTICLE_COUNT);
      • 存放随机产生的粒子(代属性)
    • createBuffer: 创建stagingBuffer用于存放粒子
    • createBuffer: 注意这个buffer的创建使用的参数(计算管线的stagingbuffer, vs 的vbo)
    • createCommandBuffer
    • vkCmdCopyBuffer
    • graphics.queueFamilyIndex != compute.queueFamilyIndex
      • vkCmdPipelineBarrier: 如果现在管线是计算管线, 将vbo数据拷贝到计算管线
    • flushCommandBuffer
    • destroy
    • Binding description
      • 将绑定初始的粒子顶点所需描述符
  • prepareUniformBuffers: 主要是计算管线uniform
    • createBuffer
    • updateUniformBuffers
  • setupDescriptorSetLayout
    • vkCreateDescriptorSetLayout
    • pushConstantRange
    • vkCreatePipelineLayout
  • preparePipelines
    • vkCreateGraphicsPipelines
  • setupDescriptorSet
    • vkAllocateDescriptorSets
    • vkUpdateDescriptorSets
  • vkCreateSemaphore
• prepareCompute
  • vkGetDeviceQueue
  • VkDescriptorSetLayoutBinding
    • descriptorSetLayoutBinding: Particle position storage buffer
    • descriptorSetLayoutBinding: Uniform buffer
  • vkCreateDescriptorSetLayout
  • vkCreatePipelineLayout
  • vkAllocateDescriptorSets
  • VkWriteDescriptorSet: 这里多了一个write描述符
    • writeDescriptorSet: Particle position storage buffer
    • writeDescriptorSet: Uniform buffer
  • vkUpdateDescriptorSets
  • vkCreateComputePipelines
  • vkCreateCommandPool
  • createCommandBuffer
  • vkCreateSemaphore
  • vkQueueSubmit
  • vkQueueWaitIdle
  • buildComputeCommandBuffer
    • vkBeginCommandBuffer
    • graphics.queueFamilyIndex != compute.queueFamilyIndex
      • vkCmdPipelineBarrier:将stagingbuffer写入的计算管线中
      • vkCmdBindPipeline
      • vkCmdBindDescriptorSets
      • vkCmdDispatch(PARTICLE_COUNT / 256) 一维工作组
    • graphics.queueFamilyIndex != compute.queueFamilyIndex
      • 将计算管线数据写入到VS管线中
    • vkEndCommandBuffer
  • graphics.queueFamilyIndex != compute.queueFamilyIndex
    • vkCmdPipelineBarrier: 将vs数据Barrier到计算管线中
    • vkCmdPipelineBarrier: 将计算管线数据Barrier到VS管线中
  • flushCommandBuffer
• buildCommandBuffers
  • loop
    • vkBeginCommandBuffer
    • graphics.queueFamilyIndex != compute.queueFamilyIndex
      • vkCmdPipelineBarrier: CS复制到VS中
    • vkCmdBeginRenderPass
    • vkCmdSetViewport
    • vkCmdSetScissor
    • vkCmdBindPipeline
    • vkCmdBindDescriptorSets
    • vkCmdPushConstants
    • vkCmdBindVertexBuffers
    • vkCmdDraw
    • drawUI
    • vkCmdEndRenderPass
    • graphics.queueFamilyIndex != compute.queueFamilyIndex
      • vkCmdPipelineBarrier: VS复制到CS中
    • vkEndCommandBuffer

render

• draw
  • prepareFrame
  • vkQueueSubmit: Submit graphics commands
  • submitFrame
  • vkQueueSubmit:Submit compute commands
• updateUniformBuffers

shader

• CS:

  //绑定buffer, 用于存储当前粒子信息
  // Binding 0 : Position storage buffer
  layout(std140, binding = 0) buffer Pos 
  {
     Particle particles[ ];
  };
  //工作执行单元为256
  layout (local_size_x = 256) in;
  

  • gl_GlobalInvocationID即操作粒子的索引
  • particles[index].vel.xy = vVel: 只需直接修改storagebuffer信息即可
• VS:
  • layout (location = 0) in vec2 inPos;
  • layout (location = 1) in vec4 inGradientPos;
    • prepareStorageBuffers:中绑定了需要传入vs的storagebuffer内容
  • gl_PerVertex:中新增 gl_PointSize
• FS: 正常渲染即可

小结

   本节主要讲compute shader storage buffer的使用. 需重点看一下storage buffer在图形管线和计算管线的切换.