DirectX11 With Windows SDK--26 计算着色器：入门

时间  2019-11-07
标签 directx11 directx windows sdk 计算 着色 入门 栏目 Windows 繁體版
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前言

如今开始迎来所谓的高级篇了，目前计划是计算着色器部分的内容视项目状况，大概会分3-5章来说述。css

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概述

这里所使用的计算着色器其实是属于DirectCompute的一部分，DirectCompute是一种应用程序编程接口（API），最初与DirectX 11 API 一块儿发布，但若是你的显卡只支持到特性等级10.x，那么你只能使用到计算着色器的有限功能，这里不讨论。算法

GPU一般被设计为从一个位置或连续的位置读取并处理大量的内存数据(即流操做)，而CPU则被设计为专门处理随机内存的访问。编程

因为顶点数据和像素数据能够分开处理，GPU架构使得它可以高度并行，在处理图像上效率很是高。可是一些非图像应用程序也可以利用GPU强大的并行计算能力以得到效益。GPU用在非图像用途的应用程序能够称之为：通用GPU(GPGPU)编程。数组

GPU须要数据并行的算法才能从GPU的并行架构中得到优点，并非全部的算法都适合用GPU来实现。对于大量的数据，咱们须要保证它们都进行类似的操做以确保并行处理。好比顶点着色器都是对大量的顶点数据进行处理，而像素着色器也是对大量的像素片元进行处理。架构

对于GPGPU编程，用户一般须要从显存中获取运算结果，将其传回CPU。这须要从显存将结果复制到内存中，这样虽然速度会慢一些，但起码仍是比直接在CPU运算会快不少。若是是用于图形编程的话却是能够省掉数据传回CPU的时间，好比说咱们要对渲染好的场景再经过计算着色器来进行一次模糊处理。函数

在Direct3D中，计算着色器也是一个可编程着色器，它并不属于渲染管线的一个直接过程。咱们能够经过它对GPU资源进行读写操做，运行的结果一般会保存在Direct3D的资源中，咱们能够将它做为结果显示到屏幕，能够给别的地方做为输入使用，甚至也能够将它保存到本地。布局

线程和线程组

在GPU编程中，咱们编写的着色器程序会同时给大量的线程运行，能够将这些线程按网格来划分红线程组。一个线程组由一个多处理器来执行，若是你的GPU有16个多处理器，你会想要把问题分解成至少16个线程组以保证每一个多处理器都工做。为了获取更好的性能，让每一个多处理器来处理至少2个线程组是一个比较不错的选择，这样当一个线程组在等待别的资源时就能够先去考虑完成另外一个线程组的工做。

每一个线程组都会得到共享内存，这样每一个线程均可以访问它。可是不一样的线程组不能相互访问对方得到的共享内存。

线程同步操做能够在线程组中的线程之间进行，但处于不一样线程组的两个线程没法被同步。事实上，咱们没有办法控制不一样线程组的处理顺序，毕竟线程组能够在不一样的多处理器上执行。

一个线程组由N个线程组成。硬件实际上会将这些线程划分红一系列warps(一个warp包含32个线程)，而且一个warp由SIMD32中的多处理器进行处理(32个线程同时执行相同的指令)。在Direct3D中，你能够指定一个线程组不一样维度下的大小使得它不是32的倍数，可是出于性能考虑，最好仍是把线程组的维度大小设为warp的倍数。

将线程组的大小设为256看起来是个比较好的选择，它适用于大量的硬件状况。修改线程组的大小意味着你还须要修改须要调度的线程组数目。

注意：NVIDIA硬件中，每一个warp包含32个线程。而ATI则是每一个wavefront包含64个线程。warp或者wavefront的大小可能随后续硬件的升级有所修改。

ID3D11DeviceContext::Dispatch方法--调度线程组执行计算着色器程序

方法以下：

void ID3D11DeviceContext::Dispatch(
    UINT ThreadGroupCountX,     // [In]X维度下线程组数目
    UINT ThreadGroupCountY,     // [In]Y维度下线程组数目
    UINT ThreadGroupCountZ);    // [In]Z维度下线程组数目

能够看到上面列出了X, Y, Z三个维度，说明线程组自己是能够3维的。当前例子的一个线程组包含了8x8x1个线程，而线程组数目为3x2x1，即咱们进行了这样的调用：

m_pd3dDeviceContext->Dispatch(3, 2, 1);

第一份计算着色器程序

如今咱们有这两张图片，我想要将它混合并将结果输出到一张图片：

下面的这个着色器负责对两个纹理的像素颜色进行份量乘法运算。

Texture2D g_TexA : register(t0);
Texture2D g_TexB : register(t1);

RWTexture2D<float4> g_Output : register(u0);

// 一个线程组中的线程数目。线程能够1维展开，也能够
// 2维或3维排布
[numthreads(16, 16, 1)]
void CS( uint3 DTid : SV_DispatchThreadID )
{
    g_Output[DTid.xy] = g_TexA[DTid.xy] * g_TexB[DTid.xy];
}

上面的代码有以下须要注意的：

  1. Texture2D仅能做为输入，但RWTexture2D<T>类型支持读写，在本样例中主要是用于输出
  2. RWTexture2D<T>使用时也须要指定寄存器，u说明使用的是无序访问视图寄存器
  3. [numthreads(X, Y, Z)]修饰符指定了一个线程组包含的线程数目，以及在3D网格中的布局
  4. 每一个线程都会执行一遍该函数
  5. SV_DispatchThreadID是当前线程在3D网格中所处的位置，每一个线程都有独立的SV_DispatchThreadID
  6. Texture2D除了使用Sample方法来获取像素外，还支持经过索引的方式来指定像素

若是使用1D纹理，线程修饰符一般为[numthreads(X, 1, 1)]或[numthreads(1, Y, 1)]

若是使用2D纹理，线程修饰符一般为[numthreads(X, Y, 1)]，即第三维度为1

2D纹理X和Y的值会影响你在调度线程组时填充的参数

注意：

  1. 在cs_4_x下，一个线程组的最大线程数为768，且Z的最大值为1.
  2. 在cs_5_0下，一个线程组的最大线程数为1024，且Z的最大值为64.

纹理输出与无序访问视图

留意上面着色器代码中的类型RWTexture2D<T>，你能够对他进行像素写入，也能够从中读取像素。不过模板参数类型填写就比较讲究了。咱们须要保证纹理的数据格式和RWTexture2D<T>的模板参数类型一致，这里使用下表来描述比较常见的纹理数据类型和HLSL类型的对应关系：

DXGI_FORMAT HLSL类型
DXGI_FORMAT_R32_FLOAT float
DXGI_FORMAT_R32G32_FLOAT float2
DXGI_FORMAT_R32G32B32A32_FLOAT float4
DXGI_FORMAT_R32_UINT uint
DXGI_FORMAT_R32G32_UINT uint2
DXGI_FORMAT_R32G32B32A32_UINT uint4
DXGI_FORMAT_R32_SINT int
DXGI_FORMAT_R32G32_SINT int2
DXGI_FORMAT_R32G32B32A32_SINT int4
DXGI_FORMAT_R16G16B16A16_FLOAT float4
DXGI_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM unorm float4
DXGI_FORMAT_R8G8B8A8_SNORM snorm float4

此外，UAV不支持DXGI_FORMAT_B8G8R8A8_UNORM

其中unorm float表示的是一个32位无符号的，规格化的浮点数，能够表示范围0到1
而与之对应的snorm float表示的是32位有符号的，规格化的浮点数，能够表示范围-1到1

从上表能够得知DXGI_FORMAT枚举值的后缀要和HLSL的类型对应(浮点型对应浮点型，整型对应整型，规格化浮点型对应规格化浮点型)，不然可能会引起下面的错误(这里举DXGI_FORMAT为unorm，HLSL类型为float的例子)：

D3D11 ERROR: ID3D11DeviceContext::Dispatch: The resource return type for component 0 declared in the shader code (FLOAT) is not compatible with the resource type bound to Unordered Access View slot 0 of the Compute Shader unit (UNORM). This mismatch is invalid if the shader actually uses the view (e.g. it is not skipped due to shader code branching). [ EXECUTION ERROR #2097372: DEVICE_UNORDEREDACCESSVIEW_RETURN_TYPE_MISMATCH]

因为DXGI_FORMAT的部分格式比较紧凑，HLSL中能表示的最小类型一般又比较大。好比DXGI_FORMAT_R16G16B16A16_FLOAT和float4，我的猜想HLSL的类型为了能传递给DXGI_FORMAT，容许作丢失精度的同类型转换。

如今咱们回到C++代码，如今须要建立一个2D纹理，而后在此基础上再建立无序访问视图做为着色器输出。

bool GameApp::InitResource()
{

    HR(CreateDDSTextureFromFile(m_pd3dDevice.Get(), L"Texture\\flare.dds",
        nullptr, m_pTextureInputA.GetAddressOf()));
    HR(CreateDDSTextureFromFile(m_pd3dDevice.Get(), L"Texture\\flarealpha.dds",
        nullptr, m_pTextureInputB.GetAddressOf()));
    
    // 建立用于UAV的纹理，必须是非压缩格式
    D3D11_TEXTURE2D_DESC texDesc;
    texDesc.Width = 512;
    texDesc.Height = 512;
    texDesc.MipLevels = 1;
    texDesc.ArraySize = 1;
    texDesc.Format = DXGI_FORMAT_R32G32B32A32_FLOAT;
    texDesc.SampleDesc.Count = 1;
    texDesc.SampleDesc.Quality = 0;
    texDesc.Usage = D3D11_USAGE_DEFAULT;
    texDesc.BindFlags = D3D11_BIND_SHADER_RESOURCE |
        D3D11_BIND_UNORDERED_ACCESS;
    texDesc.CPUAccessFlags = 0;
    texDesc.MiscFlags = 0;

    HR(m_pd3dDevice->CreateTexture2D(&texDesc, nullptr, m_pTextureOutputA.GetAddressOf()));
    
    texDesc.Format = DXGI_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM;
    HR(m_pd3dDevice->CreateTexture2D(&texDesc, nullptr, m_pTextureOutputB.GetAddressOf()));

    // 建立无序访问视图
    D3D11_UNORDERED_ACCESS_VIEW_DESC uavDesc;
    uavDesc.Format = DXGI_FORMAT_R32G32B32A32_FLOAT;
    uavDesc.ViewDimension = D3D11_UAV_DIMENSION_TEXTURE2D;
    uavDesc.Texture2D.MipSlice = 0;
    HR(m_pd3dDevice->CreateUnorderedAccessView(m_pTextureOutputA.Get(), &uavDesc,
        m_pTextureOutputA_UAV.GetAddressOf()));

    uavDesc.Format = DXGI_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM;
    HR(m_pd3dDevice->CreateUnorderedAccessView(m_pTextureOutputB.Get(), &uavDesc,
        m_pTextureOutputB_UAV.GetAddressOf()));

    // 建立计算着色器
    ComPtr<ID3DBlob> blob;
    HR(CreateShaderFromFile(L"HLSL\\TextureMul_R32G32B32A32_CS.cso",
        L"HLSL\\TextureMul_R32G32B32A32_CS.hlsl", "CS", "cs_5_0", blob.GetAddressOf()));
    HR(m_pd3dDevice->CreateComputeShader(blob->GetBufferPointer(), blob->GetBufferSize(), nullptr, m_pTextureMul_R32G32B32A32_CS.GetAddressOf()));

    HR(CreateShaderFromFile(L"HLSL\\TextureMul_R8G8B8A8_CS.cso",
        L"HLSL\\TextureMul_R8G8B8A8_CS.hlsl", "CS", "cs_5_0", blob.GetAddressOf()));
    HR(m_pd3dDevice->CreateComputeShader(blob->GetBufferPointer(), blob->GetBufferSize(), nullptr, m_pTextureMul_R8G8B8A8_CS.GetAddressOf()));

    return true;
}

观察上面的代码，若是咱们想要让纹理绑定到无序访问视图，就须要提供D3D11_BIND_UNORDERED_ACCESS绑定标签。

注意：若是你还为纹理建立了着色器资源视图，那么UAV和SRV不能同时绑定到渲染管线上。

ID3D11DeviceContext::CSSetUnorderedAccessViews--计算着色阶段设置无序访问视图

void ID3D11DeviceContext::CSSetUnorderedAccessViews(
    UINT                      StartSlot,                        // [In]起始槽，值与寄存器对应
    UINT                      NumUAVs,                          // [In]UAV数目
    ID3D11UnorderedAccessView * const *ppUnorderedAccessViews,  // [In]UAV数组
    const UINT                *pUAVInitialCounts                // [In]忽略
);

调度过程实现以下：

void GameApp::Compute()
{
    assert(m_pd3dImmediateContext);

    m_pd3dImmediateContext->CSSetShaderResources(0, 1, m_pTextureInputA.GetAddressOf());
    m_pd3dImmediateContext->CSSetShaderResources(1, 1, m_pTextureInputB.GetAddressOf());

    // DXGI Format: DXGI_FORMAT_R32G32B32A32_FLOAT
    // Pixel Format: A32B32G32R32
    m_pd3dImmediateContext->CSSetShader(m_pTextureMul_R32G32B32A32_CS.Get(), nullptr, 0);
    m_pd3dImmediateContext->CSSetUnorderedAccessViews(0, 1, m_pTextureOutputA_UAV.GetAddressOf(), nullptr);
    m_pd3dImmediateContext->Dispatch(32, 32, 1);

    // DXGI Format: DXGI_FORMAT_R8G8B8A8_SNORM
    // Pixel Format: A8B8G8R8
    m_pd3dImmediateContext->CSSetShader(m_pTextureMul_R8G8B8A8_CS.Get(), nullptr, 0);
    m_pd3dImmediateContext->CSSetUnorderedAccessViews(0, 1, m_pTextureOutputB_UAV.GetAddressOf(), nullptr);
    m_pd3dImmediateContext->Dispatch(32, 32, 1);

    HR(SaveDDSTextureToFile(m_pd3dImmediateContext.Get(), m_pTextureOutputA.Get(), L"Texture\\flareoutputA.dds"));
    HR(SaveDDSTextureToFile(m_pd3dImmediateContext.Get(), m_pTextureOutputB.Get(), L"Texture\\flareoutputB.dds"));
    
    MessageBox(nullptr, L"请打开Texture文件夹观察输出文件flareoutputA.dds和flareoutputB.dds", L"运行结束", MB_OK);
}

因为咱们的位图是512x512x1大小，一个线程组的线程布局为16x16x1，线程组的数目天然就是32x32x1了。若是调度的线程组宽度或高度不够，输出的位图也不彻底。而若是提供了过宽或太高的线程组并不会影响运行结果，只是提供的线程组资源过多有些浪费而已。

最后经过ScreenGrab库将纹理保存到文件，就能够结束程序了。

运行结束后，能够打开flareoutputA.dds查看结果(建议使用DxTex打开)：

那么问题来了，若是我想要输出DXGI_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM的纹理，那应该怎么作呢？

  1. 将纹理建立时使用的DXGI_FORMAT换成DXGI_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM，连同UAV的Format也要替换
  2. 计算着色器将RWTexture2D<float4>类型替换成RWTexture2D<unorm float4>类型

修改后的着色器代码以下：

Texture2D gTexA : register(t0);
Texture2D gTexB : register(t1);

RWTexture2D<unorm float4> gOutput : register(u0);

// 一个线程组中的线程数目。线程能够1维展开，也能够
// 2维或3维排布
[numthreads(16, 16, 1)]
void CS( uint3 DTid : SV_DispatchThreadID )
{
    gOutput[DTid.xy] = (unorm float4)(gTexA[DTid.xy] * gTexB[DTid.xy]);
}

注意：若是你使用了HLSL Tools For Visual Studio插件，它不认unorm类型，从而引起所谓的语法错误提示。你能够直接无视去编译项目，它仍是能成功编译出着色器的。

运行的图片显示结果基本上是同样的，只是输出的纹理格式不太同样：

纹理子资源的采样和索引

从上面的例子能够看到，咱们可以使用2D索引来指定纹理的某一像素。若是2D索引越界访问，在计算着色器中是拥有良好定义的：读取越界资源将返回0，尝试写入越界资源的操做将不会执行。

可是这种采样只针对mip等级为0的纹理子资源，若是咱们想指定其它mip等级的纹理子资源，可使用mip.operator[][]方法：

R mips.Operator[][](
  in uint mipSlice,     // [In]mip切片值
  in uint2 pos          // [In]2D索引
);

返回值R视纹理数据类型而定。

用法以下：

gOutput.mip[gMipSlice][DTid.xy] = 
    (unorm float4)(gTexA.mip[gMipSlice][DTid.xy] * gTexB.mip[gMipSlice][DTid.xy]);

不过咱们的演示程序用到的纹理Mip等级都为1，这里就不在代码端演示了。

纹理的Sample方法一般状况下你是不知道它具体选择的是哪些Mip等级的纹理子资源来进行采样，具体的行为交给采样器状态来决定。可是咱们可使用SampleLevel方法来指定要对纹理的哪一个mip等级的子资源进行采样：

R SampleLevel(
    in SamplerState S,      // [In]采样器状态
    in float2 Location,     // [In]纹理坐标
    in float LOD            // [In]mip等级
);

当LOD为整数时，指定的就是具体某个mip等级的纹理，但若是LOD为浮点数，如3.3f，则会对mip等级为3和4的纹理子资源都进行一次采样，而后根据小数部分进行线性插值求得最终的插值颜色。

用法以下：

float4 texColor = gTex.SampleLevel(gSam, pIn.Tex, 0.0f);    // 使用第一个mip等级的纹理子资源

练习题

粗体字为自定义题目

  1. 尝试修改ID3D11DeviceContext::Dispatch的参数，观察运行结果
  2. 尝试利用计算着色器来计算出两张纹理的颜色差别值，并保存为图片观察结果

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