Unity — Compute Shader 基礎認識
本篇文章是參考了Unity官方手冊以及幾篇相關教學文章後，紀錄實作和理解的過程，希望對於想學習Compute Shader的人提供些許幫助。需要的前置知識是對Unity的物件有基本了解(知道GameObject、Component、Material、Renderer是什麼大概就夠了)。
首先我們會概略地介紹GPU、Shader是如何加速複雜場景的顯示，接下來介紹Compute Shader與一般Shader的相異之處以及用途。然後進入主題，這邊會列舉兩個ComputeShader的程式範例。
甚麼是GPU以及Shader?
以下用一張圖解釋CPU和GPU的差別：
CPU擁有強大的運算能力，可執行計算的核心數量卻很少；而GPU擁有數百至數千（可能更多）個運算核心，這些運算核心是針對矩陣或向量運算特別設計的，無法處理過於複雜的邏輯。GPU可以處理大量簡單且各自獨立的運算。例如，要計算十萬個粒子要隨著風向往哪裡飛，CPU必須執行100000次運算；而GPU如果有1000個計算核心，能同時計算1000個粒子的運動，只需要計算100000/1000 = 100次運算。相較之下，可以看出在這種狀況下，GPU有著非常強大的運算能力。
我們如何使喚GPU做事呢？答案就是Shader。Shader是一段程式碼，定義了每一個單一GPU計算核心要做的事情。Shader共分為Surface Shader、Vertex and Fragment Shader、Compute Shader三種，前兩種主要功能是加速各種3D物件或是螢幕特效的顯示，在此不詳述，畢竟本篇的主角是Compute Shader嘛。
Compute Shader
如上所說，只要能拆解成彼此獨立的運算，都可以交由Compute Shader來做。等等！首先你的電腦必須支援才行，你可以在C#內利用下述程式碼來確認是否支援喔。
SystemInfo.supportsComputerShaders使用步驟
- 建立Compute Shader，副檔名是.compute。
2. 撰寫呼叫Compute Shader的C#程式，在Monobehaviour裡設定貼圖或者是緩衝區給Compute Shader進行運算。
3. 在Unity的Inspector內指定Compute Shader給Monobehaviour。
接下來會看到C#和Computer Shader實際上是怎麼互相合作的。他們之間可以透過數種方式溝通，以下介紹其中兩種：
對貼圖進行讀寫的Compute Shader
範例描述：使用Compute Shader照著Thread在Dispatch內的ID在貼圖上填色。主要可以看到Compute Shader怎麼讀寫貼圖。
程式碼部分：
(1) 宣告ComputeShader的參考，在UnityEditor內可以把ComputeShader Asset拖入。
(2) 從ComputeShader中定義的kernel名稱挑選出要執行的kernel函式。
(3) 把貼圖設定給ComputeShader內定義的貼圖參考。
(4) 呼叫ComputeShader的Kernel開始執行，傳入的參數是Compute Shader內定義的ThreadGroup的資料格式numthreads（可以參考下面Compute Shader程式解說的(4)）。
(1) 定義了這個Compute Shader要使用的Kernel Function，至少要定義一個（或以上）。
(2) 宣告了Compute Shader要存讀的貼圖資料，是一個由float4（RGBA）構成的陣列。
(3) 宣告了一個Thread Group，在執行時會把運算分派給每個Thread去執行。在此表示一個Thread Group內有8x8x1個Thread。
(4) Compute Shader主要的處理函式，每個Thread會依序執行此函式，傳入參數是SV_DispatchThreadID，一個三維向量；指出這個Thread在所有Dispatch的Thread中的ID（白話：一堆要做的事情裡面的第幾件事）。
Thread Group的具體結構和Dispatch的邏輯可以參考下圖：
對緩衝進行讀寫的Compute Shader
範例描述：使用一個自定義的結構存取position、rotation、scale等等資訊，並且把這些資料存在一個Compute Shader可讀寫的Buffer內，讓Compute Shader計算每個物件的移動和旋轉等等。主要可以看到C#和Compute Shader各自怎麼讀寫ComputeBuffer物件。
程式碼部分：
(1) 宣告ComputeBuffer的參考，之後可以透過此變數讀寫傳遞給Compute Shader的緩衝區。
(2) 初始化緩衝區，第一個參數是緩衝區裡的元素數量。第二個參數是每一個元素的大小，單位是Byte。在這個範例裡，緩衝區的元素結構是自行定義的PBuffer，內含一個float和三個Vector3，一個float是4 bytes，一個Vector3有三個float，因此大小是：4x1 + (4x3) x 3 = 40 bytes。也可以寫成 sizeof(float) + (sizeof(float)*3)*3。
(3) 透過buffer參考取得緩衝區內的資料，傳入的參數是事先宣告好的陣列，資料會存到該陣列中。透過buffer的參考把資料存進緩衝區。
(4) 透過Shader參考設定Compute Shader內的deltaTime參數。
(5) 透過Shader參考把ComputeBuffer變數指定給Compute Shader中的RWStructuredBuffer。
(6) 總共有16個元素必須計算，ThreadGroup的結構是(2, 2, 1)，Dispatch時必須讓16個元素都被計算到，(16 = 4 x 4)，因此輸入參數是(4/2, 4/2, 1) = (2, 2, 1)。
(1) 自行定義的結構，需要與C#中傳入結構相同。
(2) 宣告可讀寫的緩衝區，內容可以從C#傳入。
(3) 可從C#傳入的參數。
(4) 如下圖所示：Dispatch分配了2x2x1個GroupThread，每個GroupThread有 2 x 2 x 1 個Thread，邏輯上Dispatch內Thread所構成的結構是 4 x 4 x 1。因此當SV_DispatchThreadID為 ( 2 , 1, 0) 時，代表的是在一個 4 x 4 x 1 的矩陣裡，第 ( 2, 1, 0)個元素，換算成一維陣列的index則是 2 + 1 x 4 + 0 x 4 x 4 = 6，公式如下：
threadId.x +threadId.y * dispatch.x * numthread.x +threadId.z * dispatch.x * numthread.x * dispatch.y * numthread.y
結語
利用Compute Shader大幅增加平行運算的效能，網路上很容易查到非常酷炫的程式碼範例可以下載。在上述第二個範例中，其實還有個問題：就是我們雖然用很快速的方式計算每個物件的位置，但是在每次Update時，會從Buffer把所有物件的位置讀出來，如果有超大量的物件，這就會造成CPU的負擔。因此下一步，就是要讓盡量減少GPU和CPU的溝通囉！這就不在”基礎”介紹的範圍啦XD
