前言
随着人工智能技术的迅速普及和发展，对并行计算的需求也日益增长。在游戏开发和图形处理领域，尤其是在 Unity 这样的全球领先的游戏开发平台中，计算着色器（Compute Shader）已成为实现高效并行计算的首选工具。计算着色器不仅能够处理大量数据，还能显著提高渲染效率和性能，是现代图形编程中不可或缺的一环。
计算着色器概述
计算着色器是一种在 GPU 上执行数据并行处理的程序，它不依赖于渲染管线的传统流程。与顶点着色器和片元着色器等主要处理图形的着色器不同，计算着色器被设计用来进行通用计算任务，如物理模拟、AI 计算、图像处理等。
Unity 中的计算着色器可以直接访问缓冲区（Buffer）和纹理（Texture），并通过它们来进行复杂的数据处理。这使得开发者能够利用 GPU 的并行处理能力，执行大规模的数值计算任务。
计算着色器的应用场景
- 物理模拟：如粒子系统、流体动力学和软体动力学等。
- AI 计算：在游戏和实时应用中，通过 GPU 加速复杂的 AI 算法，多维数组的运算。
- 图像处理：应用如图像模糊、锐化、噪声生成和图像效果的实时调整。
入门实例：基础计算着色器
步骤 1：创建计算着色器文件
在 Unity 中，首先需要创建一个 .compute 文件。你可以在项目的 Assets 目录下右键点击，选择 "Create -> Shader -> Compute Shader"，并给文件命名。
步骤 2：编写计算着色器代码
打开你创建的 .compute 文件，并输入以下代码：
#pragma kernel CSMain
RWStructuredBuffer<float> Result; // 可读写的浮点数缓冲区
[numthreads(5, 3, 2)]
void CSMain(uint3 id : SV_DispatchThreadID)
{
Result[0] = 1.0; // 简单地将第一个元素设置为 1.0
}这是一个简单的计算着色器示例，其中#pragma kernel CSMain 是一种特殊的编译指令，简单来说通过C#可以通过kernel来调用对应的计算方法，上文中的#pragma kernel CSMain 对应的就是CSMain方法，一个 Compute Shader 文件中可以包含多个 kernel 函数。
RWStructuredBuffer Result; 是一个可读写的浮点数缓冲区,可以理解成一个float[]浮点型数组。
[numthreads(5, 3, 2)]，numthreads 定义了一个三维的线程结构；
如果我们在程序的Dispatch接口发送了（5，3，2）这样的结构，就会生成5x3x2个线程组，其中每个组的线程结构由ComputeShader中的numthreads定义，图中numthreads定义了10x8x3的三维结构，由此，我们可以分析4个HLSL关键词的定义。
SV_GroupThreadID 表示该线程在该组内的位置；
SV_GroupID 表示整个组所分配的位置；
SV_DispatchThreadID 表示该线程在所有组的线程中的位置；
SV_GroupIndex 表示该线程在该组内的索引；
通过这些关键词，我们可以在并行计算时获取其他线程的输入数据。
步骤 3：在 Unity 脚本中调用计算着色器
创建一个 C# 脚本来调用这个计算着色器，并将其结果输出到控制台。
using UnityEngine;
public class ComputeTest : MonoBehaviour {
public ComputeShader computeShader;
void Start() {
// 找到 Compute Shader 中定义的 Kernel
int kernelHandle = computeShader.FindKernel("CSMain");
// 创建一个 ComputeBuffer 来存储结果
ComputeBuffer resultBuffer = new ComputeBuffer(1, sizeof(float), ComputeBufferType.Default);
// 将 ComputeBuffer 绑定到 Compute Shader 的对应变量上
computeShader.SetBuffer(kernelHandle, "Result", resultBuffer);
// 调用或执行 Compute Shader
computeShader.Dispatch(kernelHandle, 1, 1, 1);
// 创建一个数组来接收计算结果
float[] result = new float[1];
// 从 GPU 检索计算结果
resultBuffer.GetData(result);
// 输出结果到控制台
Debug.Log("Compute Shader result: " + result[0]);
// 释放 ComputeBuffer 资源
resultBuffer.Release();
}
}
1.Compute Shader 定位：使用 FindKernel 方法根据 Kernel 的名称获取其索引。
2.创建 ComputeBuffer：computebuffer是用于CPU和GPU传递数据的通道，定义一个新的 ComputeBuffer，大小为 1，存储类型为 float，用于从 Compute Shader 接收计算结果。
3.绑定 ComputeBuffer：通过 SetBuffer 方法将创建的 ComputeBuffer 绑定到 Compute Shader 中定义的 Result 变量。
4.执行 Compute Shader：通过 Dispatch 方法执行 Compute Shader。参数 (1, 1, 1) 指定执行一组线程，其中每组包含一个线程（总共一个线程），因为我们的任务是非常简单的。
5.检索结果：使用 GetData 方法从 ComputeBuffer 中读取计算结果。
6.资源释放：完成数据检索后，通过调用 Release 方法释放 ComputeBuffer 的资源，这是非常重要的步骤，以避免内存泄露。
通过这种方式，你可以在 Unity 中利用 GPU 的计算能力来执行并行计算任务，并将结果回传到 CPU 进行进一步处理或显示。这段代码提供了一个基本的框架，你可以根据具体需求调整计算逻辑或数据处理方式。
数据结构（常用）
1.纹理（Textures）
在 Compute Shader 中，纹理不仅仅用于存储图像，它们也可以用来存储任何需要的数据。纹理可以是一维的、二维的、三维的，甚至是立方图。使用纹理的好处在于它们是经过优化的，可以快速读取和写入，并且支持各种硬件加速的过滤操作。
computeshader：
Texture2D<float4> inputTexture; //四通道纹理（rgba）
Texture2D<float2> inputTexture;//二通道纹理
C#：
shader.SetTexture(kernel, "inputTexture", texture);2.缓冲区（Buffers）
Compute Buffers 用于存储大量数据，从简单类型到复杂的自定义结构体。
computeshader:
RWStructuredBuffer<float> outputBuffer; // 可读写的结构化缓冲区
StructuredBuffer<float> outputBuffer; //不可读的结构化缓冲区
C#
buffer = new ComputeBuffer(1, sizeof(float));
float[] values = newfloat[1] {0f};
buffer.SetData(values);
shader.SetBuffer(kernel, "outputBuffer", buffer);
//RWStructuredBuffer可以通过buffer.GetData获取数据
buffer.GetData(values);3. 普通数据类型
computeshader
float float_1 = 1.0;
float2 float_2 = float2(1.0, 1.0);
float3 float_3 = float3(1.0, 1.0, 1.0);float4 float_4 = float4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
int int_1 = 1;
int2 int_2 = int2(1, 1);
int3 int_3 = int3(1, 1, 1);
int4 int_4 = int4(1, 1, 1, 1);
C#
int kernelHandle = shader.FindKernel("CSMain");
// 设置单个 float 和 int
shader.SetFloat("float_1", 1.0f);
shader.SetInt("int_1", 1);
// 设置 floats 类型的数据
shader.SetFloats("float_2", newfloat[] {1.0f, 1.0f});
shader.SetFloats("float_3", newfloat[] {1.0f, 1.0f, 1.0f});
shader.SetFloats("float_4", newfloat[] {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f});
// 设置整型向量，使用 SetVector 转换成 Vector4 后传递，但这里需要将整型转换为float
shader.SetInts("int_2", newint[] {1, 1});
shader.SetInts("int_3", newint[] {1, 1, 1});
shader.SetInts("int_4", newint[] {1, 1, 1, 1});ComputeBuffer
创建ComputeBuffer：
在Unity中创建ComputeBuffer时，需要指定其存储的数据类型的大小和数量。
ComputeBuffer buffer = new ComputeBuffer(count, sizeof(int),ComputeBufferType.Default);绑定ComputeBuffer到Compute Shader：
将ComputeBuffer传递给Compute Shader之前，需要通过Compute Shader的SetBuffer方法将其绑定。
computeShader.SetBuffer(kernelIndex, "bufferName", buffer);在Compute Shader中使用ComputeBuffer：
在Compute Shader代码中，可以通过声明的buffer变量来读写数据。
RWStructuredBuffer<int> dataBuffer; // HLSL代码从ComputeBuffer检索数据：
计算完成后，可以将数据从GPU读回到CPU。
int[] results = newint[count];buffer.GetData(results);清理：
使用完ComputeBuffer后，应该释放其资源，以避免内存泄漏。
buffer.Release();ComputeBuffer的类型（ComputeBufferType）
Unity中的ComputeBuffer有几种类型，每种类型都有其特定的用途：
- Default：最普通的缓冲区类型，用于存储通用数据。
- Structured：用于存储一系列结构化数据。这是最常用的类型，因为它允许你以结构化的方式存储复杂的数据，如顶点或计算数据。
- Append：这种类型的缓冲区用于动态添加数据，常用于不确定输出数据数量的情况。
- Counter：与Append类似，但这种缓冲区包含一个计数器，用于追踪缓冲区中元素的数量。
- Raw：允许以字节形式存储和访问数据，适用于那些需要非结构化存储数据的高级用途。