[移动开发]计算优化--OpenGL Compute Shader

前言

compute shader是在OpenGL4.3（Opengl es 3.1）以后引入的一种专门用于并行计算的着色器。在计算着色器中，任务以组为单位进行执行，我们称之为工作组（work group）。拥有邻居的工作组被称为本地工作组（local workgroup）， 这些组可以组成更大的组，称为全局工作组（global workgroup），而其通常作为执行命令的一个单位。

compute shader会被每个本地工作组中的每个单元调用一次。工作组的每一个单元称为工作项（work item），每次调用称为一次执行。执行的单元之间可以通过变量和显存进行通信，也可以通过执行同步操作保持一致性。下图显示了一个全局工作组。这个全局工作组包括16个本地工作组，每个本地工作组又包括16个执行单元，排成4X4的网格，每个执行单元拥有一个二维向量表示的索引值。尽管图示中，全局和本地工作组都是2维的，而事实上它们都是3维的，为了适应1维、2维的任务，只需把额外的2维或1维设为0即可。计算着色器的每个执行单元本质是相互独立的，可以并行地在支持OpenGL地GPU上执行。

compute shader性能突出，可以支持复杂的渲染及数据处理等，我们可以用其优化渲染性能，甚至可以做一些复杂数据处理，模型训练等。

实践

本人也是刚上手这个技术，结合着网上的资料，在Android侧率先完成了整个项目的跑通。接下来总结下遇到的问题和最后的实验结果。

首先，机型兼容性问题。由于compute shader 在OpenGL4.3后才引入对应的OpenGL ES是3.1，所以就需要Android5.1以上的平台。

第二在onDrawFrame的时候，viewport需要跟你输出的image的大小(width，height)相同，否则生成的纹理有异样。

第三在onDrawFrame的时候，绑定framebuffer之后需要先进行clear，否则输出的image无数据。

第四在编写shader程序时，输入输出image2D需要显式地指定readonly或writeonly限定其读写权限，不然compile shader程序会失败。

GLES31.glViewport(0,0, width, height);
GLES31.glUseProgram(mProgram);
GLES31.glBindFramebuffer(GLES32.GL_FRAMEBUFFER, mCsFrameBufferID);
GLES31.glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);
GLES31.glClear(GLES32.GL_COLOR_BUFFER_BIT | GLES32.GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

最后在compute shader中，image2D需要使用layout 方式进行绑定，使用binding指定位置序列，不能使用glGetUniformLocation的方式获取位置序号。

layout (rgba8, binding = 1)   uniform readonly image2D colorAndDepthTexture;
layout (rgba8, binding = 2)   uniform writeonly image2D outputImage;

下面贴出部分关键代码：

OpenGL 渲染环境

class ComputeActivity : Activity() {
    private var env: GLSurfaceView? = null
    protected fun onCreate(@Nullable savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        setContentView(R.layout.activity_compute)
        env = findViewById(R.id.glsv)
        env.setEGLContextClientVersion(3)
        env.setRenderer(ComputeRender(this))
        env.setRenderMode(GLSurfaceView.RENDERMODE_WHEN_DIRTY)
    }
}

Shader程序

layout (local_size_x = 8, local_size_y = 8, local_size_z = 1) in;
 
uniform float v[1000];
layout(binding = 0, rgba8) readonly uniform  image2D input_image;
layout(binding = 1, rgba8) writeonly uniform  image2D output_image;
 
shared vec4 scanline[8][8];
 
void main(void)
{
    ivec2 pos = ivec2(gl_GlobalInvocationID.xy);
    scanline[pos.x][pos.y] = imageLoad(input_image, pos);
    barrier();
    vec4 data = scanline[pos.x][pos.y];
    data.r = data.r + v[999] ;
    data.g = data.g;
    data.b = data.b;
    data.a = data.a;
    imageStore(output_image, pos.xy, data);
}

执行计算

private fun performCompute(inputTeture: Int, outputTexture: Int) {
        GLES31.glUseProgram(0);
        GLES31.glUseProgram(computeProgram);
        GLES31.glUniform1fv(
            GLES31.glGetUniformLocation(mComputeProg, "v"),
            mValueSize,
            mValueBuffer
        )
        GLES31.glBindImageTexture(
            0,
            inputTeture,
            0,
            false,
            0,
            GLES31.GL_READ_ONLY,
            GLES31.GL_RGBA8
        )
        GLES31.glBindImageTexture(
            1,
            outputTexture,
            0,
            false,
            0,
            GLES31.GL_WRITE_ONLY,
            GLES31.GL_RGBA8
        )
        GLES31.glDispatchCompute(1, 1, 1)
        GLES31.glMemoryBarrier(GLES31.GL_ALL_SHADER_BITS)
    }

?结果

fun onDrawFrame(gl: GL10?) {
        val begin = System.currentTimeMillis()
        performCompute(fTexture.get(0), fTexture.get(1))
        performCompute(fTexture.get(1), fTexture.get(2))
        Log.w(TAG, "total compute spent:" + (System.currentTimeMillis() - begin))
    }

经测试在华为荣耀20 pro手机上，Android 10的版本，运行1000次计算着色器计算，也仅耗时20~30ms。欢迎关注微信号。

参考

https://blog.csdn.net/koibiki/article/details/80590885