Compute Shader 详解
概述
计算着色器（Compute Shader）是一种在GPU上执行通用计算的程序。它不直接参与渲染管线，而是用于并行处理大量数据。本文将详细介绍计算着色器的核心概念和使用方法。
线程组结构
线程组参数
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[numthreads(4, 4, 1)] // 定义单个线程组大小
Dispatch(2, 2, 1) // 定义要派发的线程组数量
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numthreads 参数说明
- 定义单个线程组的大小
- 示例中每组包含：
- X方向：4个线程
- Y方向：4个线程
- Z方向：1个线程
- 总线程数：4 * 4 * 1 = 16个线程/组
Dispatch 参数说明
- 定义要创建的线程组数量
- 示例中创建：
- X方向：2个线程组
- Y方向：2个线程组
- Z方向：1个线程组
- 总组数：2 * 2 * 1 = 4个线程组
线程组布局可视化
整体调度布局（2x2个组）
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┌─────────┬─────────┐
│ 组(0,0) │ 组(1,0) │
├─────────┼─────────┤
│ 组(0,1) │ 组(1,1) │
└─────────┴─────────┘
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单个组内线程布局（4x4个线程）
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┌───┬───┬───┬───┐
│0,0│1,0│2,0│3,0│
├───┼───┼───┼───┤
│0,1│1,1│2,1│3,1│
├───┼───┼───┼───┤
│0,2│1,2│2,2│3,2│
├───┼───┼───┼───┤
│0,3│1,3│2,3│3,3│
└───┴───┴───┴───┘
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线程标识符
SV_DispatchThreadID
- 表示整个调度范围内的全局线程ID
- 范围：[0,0,0] 到 [7,7,0]（在上述示例中）
- 主要用于：访问全局资源
- 计算方式：
GroupID * numthreads + GroupThreadID
SV_GroupID
- 表示线程组的ID
- 范围：[0,0,0] 到 [1,1,0]（在上述示例中）
- 与Dispatch参数直接相关
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// Dispatch(2,2,1) 调用示例
void ComputeShader(uint3 GroupID : SV_GroupID) {
// GroupID.x 范围：0-1
// GroupID.y 范围：0-1
// GroupID.z 值为 0
}
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SV_GroupThreadID
- 表示线程在组内的局部ID
- 范围：[0,0,0] 到 [3,3,0]（在上述示例中）
- 主要用于：访问局部资源和组内计算
SV_GroupIndex
- 表示线程在组内的一维索引
- 范围：[0] 到 [15]（在上述示例中）
- 计算方式：
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GroupIndex = GroupThreadID.z * (numthreads.x * numthreads.y) +
GroupThreadID.y * numthreads.x +
GroupThreadID.x
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常见应用场景示例
2D图像处理
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[numthreads(16, 16, 1)] // 256个线程，适合处理2D图像
void ImageProcess(uint3 DTid : SV_DispatchThreadID) {
int2 pixel = int2(DTid.x, DTid.y);
// 边界检查
if(pixel.x < imageWidth && pixel.y < imageHeight) {
output[pixel] = ProcessPixel(input[pixel]);
}
}
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3D体素处理
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[numthreads(8, 8, 8)] // 512个线程，适合处理3D数据
void VoxelProcess(uint3 DTid : SV_DispatchThreadID) {
int3 voxel = int3(DTid.x, DTid.y, DTid.z);
// 边界检查
if(voxel.x < volumeWidth &&
voxel.y < volumeHeight &&
voxel.z < volumeDepth) {
ProcessVoxel(voxel);
}
}
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一维数组处理
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[numthreads(256, 1, 1)] // 256个线程，适合处理一维数组
void ArrayProcess(uint3 DTid : SV_DispatchThreadID) {
uint index = DTid.x;
// 边界检查
if(index < arraySize) {
output[index] = ProcessData(input[index]);
}
}
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最佳实践
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线程组大小选择
- 2D处理：通常选择 8x8 或 16x16
- 3D处理：通常选择 4x4x4 或 8x8x8
- 1D处理：通常选择 256 或 512 个线程
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边界检查
- 始终进行数组边界检查
- 考虑输入数据尺寸不是线程组大小整数倍的情况
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性能优化
- 尽量使用组共享内存减少全局内存访问
- 注意内存访问模式，避免bank冲突
- 考虑硬件限制，如最大线程组大小
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调试技巧
- 使用原子操作进行调试
- 输出中间结果到缓冲区
- 使用条件编译进行调试代码管理