基於Compute Shader的生命遊戲

來自專欄蒸汽機車53 人贊了文章

非常抱歉重新發布這篇文章，今天早上我起床之後重新閱讀了自己的代碼——

這什麼傻逼東西！

最主要的是代碼寫的有問題，沒有解釋明白，而且還沒有附上參考資料。故下午接SDK測試之餘抽空把演示、線程組重新理了一次，再次寫一次這篇文章。污染大家的時間線，真是不好意思。

什麼是生命遊戲

生命遊戲是英國數學家約翰·何頓·康威在1970年發明的細胞自動機。在二維的矩形世界中，每個方格被視為一個細胞，該細胞的下一個狀態取決於周圍鄰居的當前狀態。假如鄰居活著的細胞過多，那麼這個細胞下一刻會因為資源匱乏而死；假如活著的鄰居過少，則細胞會因為過度孤獨而死；而適當數量的鄰居又能繁衍出新的細胞。

本文使用的規則是：

1.假如本細胞在這一刻活著，那麼若鄰居細胞存活數少於2或大於等於4，則本細胞下一刻死亡。

2.假如本細胞在這一刻死亡，那麼若鄰居細胞存活數等於3，則本細胞下一刻為活著。

通過簡單的規則，二維矩形上會演變出各式各樣的生命群落。但是大部分情況下，它們最終會維持穩定，只有少數經過精心設計的圖形才能長期變幻、擴張，形成宏觀上令人震撼的群落。具體內容參見【1】

C#版本的生命遊戲

我們根據生命遊戲的概念，可以很快編寫出生命遊戲的原型。演示可以在工程中名為cpu的場景上找到。不過，其運行效率著實令人頭大。

Compute Shader版本的生命遊戲

當我們思索生命遊戲的邏輯的時候，不難發現，生命遊戲大部分的運算量實際上都是一個並行的任務，而且該並行任務並沒有順序要求，每個像素需要遍歷其周圍的鄰居，對於什麼時候遍歷並不關心。因此我們會敏銳想到Compute Shader，通過將計算任務轉嫁到GPU，利用GPU的針對並行任務的設計來快速完成計算任務。

但這裡又存在一個問題，那就是生命遊戲中存在一個串列的邏輯——狀態的變化必須發生在統計鄰居之後——這個邏輯表明我們需要將生命遊戲拆分成兩個流程，也就是兩個Kernel。

Compute Shader在Unity中的使用，可以參考【2】中所述，在此不再贅述。

// kernel is GameOfLifeUpdate#pragma kernel GameOfLifeUpdate#pragma kernel UpdateNextstruct Cell{ float4 xynn; //四通道信息為：x軸位置、y軸位置、當前是否活著，下一刻是否活著（活著=1）};RWStructuredBuffer<Cell> Cells;//用來輸出給C#進行展示RWTexture2D<float4> GameTex;//定義活著和死了的顏色float4 AliveColor;float4 DeadColor;//定義邊界float4 BorderVec;bool IsCellAlive(int x, int y){ if (x < BorderVec.x || x >= BorderVec.y || y < BorderVec.z || y >= BorderVec.w) return false; return Cells[x + y * BorderVec.y].xynn.z == 1;}//展示並統計[numthreads(32, 32, 1)]void GameOfLifeUpdate (uint3 id : SV_DispatchThreadID){ int product = id.x + id.y * BorderVec.y; Cell curCell = Cells[product]; //展示上一回合的生命結果 if (curCell.xynn.z == 1) GameTex[id.xy] = AliveColor; else GameTex[id.xy] = DeadColor; //計算鄰居存活數 int liveNum = 0; if (IsCellAlive(id.x-1, id.y-1)) liveNum++; if (IsCellAlive(id.x-1, id.y)) liveNum++; if (IsCellAlive(id.x-1, id.y+1)) liveNum++; if (IsCellAlive(id.x+1, id.y-1)) liveNum++; if (IsCellAlive(id.x+1, id.y)) liveNum++; if (IsCellAlive(id.x+1, id.y+1)) liveNum++; if (IsCellAlive(id.x, id.y-1)) liveNum++; if (IsCellAlive(id.x, id.y+1)) liveNum++; //生命遊戲規則 if (curCell.xynn.z == 1) { if (liveNum < 2) curCell.xynn.w = 0; else if (liveNum < 4) curCell.xynn.w = curCell.xynn.z; else curCell.xynn.w = 0; } else if (liveNum == 3) { curCell.xynn.w = 1; } Cells[product] = curCell;}//當前狀態變更[numthreads(32, 32, 1)]void UpdateNext(uint3 id : SV_DispatchThreadID){ int product = id.x + id.y * BorderVec.y; Cells[product].xynn.z = Cells[product].xynn.w;}

將遊戲的邏輯轉移到Compute Shader中之後，我們在C#中只需要做兩件事：初始化、以及每幀調用一次。

using System.Collections;using System.Collections.Generic;using UnityEngine;public struct GPUCell{ public Vector4 xynn; public GPUCell(float x, float y, float z, float w) { xynn = new Vector4(x, y, z, w); }}public class SendTex : MonoBehaviour { public ComputeShader GoLComputeShader; public Texture InputTex; public Color AliveColor; public Color DeadColor; public Renderer Shower; [SerializeField] private RenderTexture GameTex; private ComputeBuffer CellBuffer; private bool needRendering = false; int kernelIdx; int updateIdx; #region Mono void OnGUI() { if (GUILayout.Button("開始生命遊戲")) { Init(); needRendering = true; } } void Update () { if (!needRendering) return; //運算 GoLComputeShader.Dispatch(kernelIdx, Mathf.CeilToInt(InputTex.width / 32f), Mathf.CeilToInt(InputTex.height / 32f), 1); GoLComputeShader.Dispatch(updateIdx, Mathf.CeilToInt(InputTex.width / 32f), Mathf.CeilToInt(InputTex.height / 32f), 1); } #endregion #region Logic private void Init() { //找到核心地址 kernelIdx = GoLComputeShader.FindKernel("GameOfLifeUpdate"); updateIdx = GoLComputeShader.FindKernel("UpdateNext"); InitTexture(); InitColor(); InitBuffer(); Shower.material.mainTexture = GameTex; } private void InitColor() { GoLComputeShader.SetVector("AliveColor", AliveColor); GoLComputeShader.SetVector("DeadColor", DeadColor); } private void InitTexture() { //傳入展示和邏輯用紋理 GameTex = new RenderTexture(InputTex.width, InputTex.height, 24); GameTex.enableRandomWrite = true; GameTex.filterMode = FilterMode.Point; GameTex.Create(); GoLComputeShader.SetTexture(kernelIdx, "GameTex", GameTex); //傳入邊界 GoLComputeShader.SetVector("BorderVec", new Vector4(0, InputTex.width, 0, InputTex.height)); } private void InitBuffer() { int count = InputTex.width * InputTex.height; CellBuffer = new ComputeBuffer(count, 16); GPUCell[] values = new GPUCell[count]; for (int y = 0 ; y < InputTex.height; y++) for (int x = 0; x < InputTex.width; x++) { Color c = ((Texture2D)InputTex).GetPixel(x, y); GPUCell cell = new GPUCell(x, y, c.a != 0 ? 1 : 0, c.a != 0 ? 1 : 0); values[x + y * InputTex.width] = cell; } //裝填數據 CellBuffer.SetData(values); GoLComputeShader.SetBuffer(kernelIdx, "Cells", CellBuffer); GoLComputeShader.SetBuffer(updateIdx, "Cells", CellBuffer); } #endregion}

不得不提到之前走的一個彎路，那就是C#里的Dispatch所傳入的XYZ值，是線程組的數量，Shader中的numthreads的XYZ值，是每組的線程數量。為了保證線程們能遍歷到每個像素和數據，必須在C#里予以自適應。

關於線程和線程組更多的內容，請參考【3】。

通過轉嫁計算任務，我們在面對8192*8192規模的圖片時，亦能得到70幀的高效率運行——當然，除了最開始向GPU輸出數據時的卡頓。

https://www.zhihu.com/video/1019292992821149696

結語

本文嘗試利用Compute Shader解決了生命遊戲規模上升時帶來的效率問題。除此之外，Compute Shader還有更多的應用，比如加速粒子計算等。

當然本文的可視化還略顯粗糙，若想對遊戲做更多風格客制化，例如顯示時附帶細線網格、細胞被展示為小球或立方體等，可以配合Geometry Shader，實現效果的同時，保證運算的高效率。

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