Microsoft DirectX SDK (June 2010)
Direct3D 11.0
Shader Model 5.0
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Microsoft Visual C++ 2010 Express Microsoft DirectX SDK (June 2010) Direct3D 11.0 Shader Model 5.0 |
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コンピュートシェーダーは、3DCG レンダリング以外の目的でも使用できるように設計された汎用シェーダーです。 そのため、頂点シェーダーやピクセルシェーダーとは異なり、グラフィック パイプライン に含まれません。 詳細はコンピュート シェーダーの概要を参照してください。 なお SM 4.0 でもコンピュートシェーダーを使用することができますが、その場合いくつかの制約が発生します。 そのへんについてもドキュメントで確認してください。
コンピュートシェーダーの特徴は、汎用目的で使用できることもありますが、 多数のスレッドを GPU で並列処理させることができる、いわゆるマルチスレッドに対応しているところにあると思います。 このため、非常に多くのデータを計算するような場合にパフォーマンス的に有利になると思われます。
さて今回は初めてコンピュートシェーダーを使うので、非常に単純なプログラムを作成しました。
ぶっちゃけ単純すぎて出力結果もなんら意味のないプログラムです。
なお DirectX SDK (June 2010) の BasicCompute11 サンプルを参照してます。
---ComputeShader01.hlsl---
// 入力用の構造体定義
struct BufInType
{
int i;
float f;
};
// 出力用の構造体定義
struct BufOutType
{
int i;
};
// 読み取り専用の構造化バッファー
// アンオーダードアクセスバッファーとして作成されたバッファを使用する
StructuredBuffer<BufInType> BufferIn : register(t0);
// 読み書き可能な構造化バッファー
// アンオーダードアクセスバッファーとして作成されたバッファを使用する
RWStructuredBuffer<BufOutType> BufferOut : register(u0);
[numthreads(2, 1, 1)]
void CS_Main( uint3 DTid : SV_DispatchThreadID )
{
BufferOut[DTid.x].i = BufferIn[DTid.x].i + (int)BufferIn[DTid.x].f;
}
構造化バッファーとかアンオーダードアクセスビューとかよくわからん用語がいくつか出てきました。
１．構造化バッファー
構造体の配列により構成されるバッファのこと。
コンピュートシェーダーでは入出力バッファーを構造化バッファーで指定します。
なお、構造化バッファーの他にバイトのオフセットによりアクセス可能なバイト アドレス バッファーというのもあります。
２．アンオーダード アクセス バッファー
順序不同でアクセスできるバッファーのこと。
３．numthreads
コンピュート シェーダーのディスパッチ時に 1 つのスレッド グループで実行するスレッド数。
3次元ベクトルの理由は不明だが、サンプルでは 2 つのスレッドグループを作成しています。
コンピュート シェーダーは、同じスレッド グループにある多数のスレッドを並列実行させます。
４．SV_DispatchThreadID
コンピュート シェーダーの実行場所のスレッドおよびスレッド グループの組み合わせのインデックス。
この値は、ID3D11DeviceContext::Dispatch および numthreads で指定された範囲全体で変化します。
ID3D11DeviceContext::Dispatch はあとで出てきますが、スレッドグループ数を引数に指定してコンピュートシェーダーを実行するためのメソッドです。
したがって、構造化バッファーのすべての要素にアクセスするには numthreads × ID3D11DeviceContext::Dispatch の引数値 となる値を指定する必要があります。
---main.cpp---
#include <d3dx11.h>
#include <stdio.h>
#include <tchar.h>
#pragma comment( lib, "dxguid.lib" )
#pragma comment( lib, "d3d11.lib" )
#pragma comment( lib, "d3dx11.lib" )
#define SAFE_RELEASE(x) if( x != NULL ){ x->Release(); x = NULL; }
const UINT NUM_ELEMENTS = 128;
struct BUFIN_TYPE
{
int i;
float f;
};
struct BUFOUT_TYPE
{
int i;
};
// 初期化
HRESULT CreateComputeDevice( ID3D11Device** ppD3DDevice, ID3D11DeviceContext** ppD3DDeviceContext, ID3D11ComputeShader** ppComputeShader )
{
HRESULT hr = E_FAIL;
// コンピュートシェーダーは SM 4 でも動作するらしいがサンプルでは対応しない
D3D_FEATURE_LEVEL FeatureLevel[] = {
D3D_FEATURE_LEVEL_11_0, // Direct3D 11.0 SM 5
};
UINT FeatureLevelLength = _countof( FeatureLevel );
#if defined(DEBUG) || defined(_DEBUG)
// デバッグコンパイルの場合、デバッグレイヤーを有効にする。
UINT createDeviceFlag = D3D11_CREATE_DEVICE_DEBUG;
#else
UINT createDeviceFlag = 0;
#endif
// デバイスを作成する。
hr = D3D11CreateDevice(
NULL, // 使用するアダプターを設定。NULLの場合はデフォルトのアダプター。
D3D_DRIVER_TYPE_HARDWARE, // D3D_DRIVER_TYPEのいずれか。ドライバーの種類。
NULL, // ソフトウェアラスタライザを実装するDLLへのハンドル。
createDeviceFlag, // D3D11_CREATE_DEVICE_FLAGの組み合わせ。デバイスを作成時に使用されるパラメータ。
FeatureLevel, // D3D_FEATURE_LEVELのポインタ
FeatureLevelLength, // D3D_FEATURE_LEVEL配列の要素数。
D3D11_SDK_VERSION, // DirectX SDKのバージョン。この値は固定。
ppD3DDevice, // 初期化されたデバイス
NULL, // 採用されたフィーチャーレベル。使用しないので NULL
ppD3DDeviceContext // 初期化されたデバイスコンテキスト
);
if( FAILED( hr ) )
goto EXIT;
ID3D10Blob* pBlob = NULL;
UINT Flag1 = D3D10_SHADER_ENABLE_STRICTNESS;
#if defined(DEBUG) || defined(_DEBUG)
Flag1 |= D3D10_SHADER_OPTIMIZATION_LEVEL0;
#else
Flag1 |= D3D10_SHADER_OPTIMIZATION_LEVEL3;
#endif
// ファイルを元にエフェクトをコンパイルする
hr = D3DX11CompileFromFile( _T("../../USER/HLSL/ComputeShader01.hlsl"), NULL, NULL, "CS_Main", "cs_5_0", Flag1, 0, NULL, &pBlob, NULL, NULL );
if( FAILED( hr ) )
goto EXIT;
// コンパイル済みシェーダーから、コンピュートシェーダー オブジェクトを作成する
hr = (*ppD3DDevice)->CreateComputeShader( pBlob->GetBufferPointer(), pBlob->GetBufferSize(), NULL, ppComputeShader );
if( FAILED( hr ) )
goto EXIT;
hr = S_OK;
EXIT:
SAFE_RELEASE( pBlob );
return hr;
}
// コンピュートシェーダーへの入力時に使用するシェーダーリソースビューを作成する
HRESULT CreateSRVForStructuredBuffer( ID3D11Device* pD3DDevice
, UINT uElementSize
, UINT uCount
, VOID* pInitData
, ID3D11Buffer** ppBuf
, ID3D11ShaderResourceView** ppSRVOut
)
{
HRESULT hr = E_FAIL;
*ppBuf = NULL;
*ppSRVOut = NULL;
// 構造化バッファーを作成する
D3D11_BUFFER_DESC BufferDesc;
ZeroMemory( &BufferDesc, sizeof(D3D11_BUFFER_DESC) );
BufferDesc.BindFlags =
D3D11_BIND_UNORDERED_ACCESS | // アンオーダード アクセス リソースをバインドする
D3D11_BIND_SHADER_RESOURCE; // バッファーをシェーダー ステージにバインドする
BufferDesc.ByteWidth = uElementSize * uCount; // バッファサイズ
BufferDesc.MiscFlags = D3D11_RESOURCE_MISC_BUFFER_STRUCTURED; // 構造化バッファーとしてリソースを作成する
BufferDesc.StructureByteStride = uElementSize; // 構造化バッファーのサイズ (バイト単位)
// 初期値を設定
if ( pInitData )
{
D3D11_SUBRESOURCE_DATA InitData;
InitData.pSysMem = pInitData;
hr = pD3DDevice->CreateBuffer( &BufferDesc, &InitData, ppBuf );
if( FAILED( hr ) )
goto EXIT;
}
// 初期値なしで領域のみ確保する
else
{
hr = pD3DDevice->CreateBuffer( &BufferDesc, NULL, ppBuf );
if( FAILED( hr ) )
goto EXIT;
}
// 構造化バッファーからシェーダーリソースビューを作成する
D3D11_SHADER_RESOURCE_VIEW_DESC SRVDesc;
ZeroMemory( &SRVDesc, sizeof(D3D11_SHADER_RESOURCE_VIEW_DESC) );
SRVDesc.ViewDimension = D3D11_SRV_DIMENSION_BUFFEREX; // 拡張されたバッファーであることを指定する
SRVDesc.BufferEx.FirstElement = 0;
SRVDesc.Format = DXGI_FORMAT_UNKNOWN;
SRVDesc.BufferEx.NumElements = uCount; // リソース内の要素の数
// 構造化バッファーをもとにシェーダーリソースビューを作成する
hr = pD3DDevice->CreateShaderResourceView( *ppBuf, &SRVDesc, ppSRVOut );
if( FAILED( hr ) )
goto EXIT;
hr = S_OK;
EXIT:
return hr;
}
// コンピュートシェーダーからの出力時に使用するアンオーダードアクセスビューを作成する
HRESULT CreateUAVForStructuredBuffer( ID3D11Device* pD3DDevice
, UINT uElementSize
, UINT uCount
, VOID* pInitData
, ID3D11Buffer** ppBuf
, ID3D11UnorderedAccessView** ppUAVOut
)
{
HRESULT hr = E_FAIL;
*ppBuf = NULL;
*ppUAVOut = NULL;
// 構造化バッファーを作成する
D3D11_BUFFER_DESC BufferDesc;
ZeroMemory( &BufferDesc, sizeof(D3D11_BUFFER_DESC) );
BufferDesc.BindFlags =
D3D11_BIND_UNORDERED_ACCESS | // アンオーダード アクセス リソースをバインドする
D3D11_BIND_SHADER_RESOURCE; // バッファーをシェーダー ステージにバインドする
BufferDesc.ByteWidth = uElementSize * uCount; // バッファサイズ
BufferDesc.MiscFlags = D3D11_RESOURCE_MISC_BUFFER_STRUCTURED; // 構造化バッファーとしてリソースを作成する
BufferDesc.StructureByteStride = uElementSize; // 構造化バッファーのサイズ (バイト単位)
// 初期値を設定
if ( pInitData )
{
D3D11_SUBRESOURCE_DATA InitData;
InitData.pSysMem = pInitData;
hr = pD3DDevice->CreateBuffer( &BufferDesc, &InitData, ppBuf );
if( FAILED( hr ) )
goto EXIT;
}
// 初期値なしで領域のみ確保する
else
{
hr = pD3DDevice->CreateBuffer( &BufferDesc, NULL, ppBuf );
if( FAILED( hr ) )
goto EXIT;
}
// 構造化バッファーからアンオーダードアクセスビューを作成する
D3D11_UNORDERED_ACCESS_VIEW_DESC UAVDesc;
ZeroMemory( &UAVDesc, sizeof(D3D11_UNORDERED_ACCESS_VIEW_DESC) );
UAVDesc.ViewDimension = D3D11_UAV_DIMENSION_BUFFER; // バッファーであることを指定する
UAVDesc.Buffer.FirstElement = 0;
UAVDesc.Format = DXGI_FORMAT_UNKNOWN;
UAVDesc.Buffer.NumElements = uCount; // リソース内の要素の数
// 構造化バッファーをもとにアンオーダード アクセス ビューを作成する
hr = pD3DDevice->CreateUnorderedAccessView( *ppBuf, &UAVDesc, ppUAVOut );
if( FAILED( hr ) )
goto EXIT;
hr = S_OK;
EXIT:
return hr;
}
// コンピュートシェーダーを実行する
void RunComputeShader( ID3D11DeviceContext* pD3DDeviceContext
, ID3D11ComputeShader* pComputeShader
, ID3D11ShaderResourceView* pBufSRV // 入力用
, ID3D11UnorderedAccessView* pBufResultUAV // 出力用
, UINT X
, UINT Y
, UINT Z
)
{
pD3DDeviceContext->CSSetShader( pComputeShader, NULL, 0 );
// シェーダーリソースビューをコンピュートシェーダーに設定
pD3DDeviceContext->CSSetShaderResources( 0, 1, &pBufSRV );
// アンオーダードアクセスビューをコンピュートシェーダーに設定
pD3DDeviceContext->CSSetUnorderedAccessViews( 0, 1, &pBufResultUAV, NULL );
// コンピュートシェーダーを実行する。いまいちわかってない
pD3DDeviceContext->Dispatch( X, Y, Z );
pD3DDeviceContext->CSSetShader( NULL, NULL, 0 );
ID3D11UnorderedAccessView* ppUAViewNULL[1] = { NULL };
pD3DDeviceContext->CSSetUnorderedAccessViews( 0, 1, ppUAViewNULL, NULL );
ID3D11ShaderResourceView* ppSRVNULL[2] = { NULL, NULL };
pD3DDeviceContext->CSSetShaderResources( 0, 2, ppSRVNULL );
ID3D11Buffer* ppCBNULL[1] = { NULL };
pD3DDeviceContext->CSSetConstantBuffers( 0, 1, ppCBNULL );
}
// アンオーダードアクセスビューのバッファの内容を CPU から読み込み可能なバッファへコピーする
ID3D11Buffer* CreateAndCopyToDebugBuf( ID3D11Device* pD3DDevice, ID3D11DeviceContext* pD3DDeviceContext, ID3D11Buffer* pBuffer )
{
ID3D11Buffer* debugbuf = NULL;
D3D11_BUFFER_DESC BufferDesc;
ZeroMemory( &BufferDesc, sizeof(D3D11_BUFFER_DESC) );
pBuffer->GetDesc( &BufferDesc );
BufferDesc.CPUAccessFlags = D3D11_CPU_ACCESS_READ; // CPU から読み込みできるように設定する
BufferDesc.Usage = D3D11_USAGE_STAGING; // GPU から CPU へのデータ転送 (コピー) をサポートするリソース
BufferDesc.BindFlags = 0;
BufferDesc.MiscFlags = 0;
if( FAILED( pD3DDevice->CreateBuffer( &BufferDesc, NULL, &debugbuf ) ) )
goto EXIT;
pD3DDeviceContext->CopyResource( debugbuf, pBuffer );
EXIT:
return debugbuf;
}
int __cdecl main()
{
HRESULT hr = E_FAIL;
ID3D11Device* pD3DDevice = NULL; // Direct3D11 デバイス
ID3D11DeviceContext* pD3DDeviceContext = NULL; // Direct3D11 デバイスコンテキスト
ID3D11ComputeShader* pComputeShader = NULL; // コンピュートシェーダー インターフェース
ID3D11Buffer* pBuf = NULL; // 入力用の構造化バッファー
ID3D11Buffer* pBufResult = NULL; // 出力用の構造化バッファー
ID3D11ShaderResourceView* pBufSRV = NULL; // 入力用の構造化バッファーから作成されるシェーダーリソースビュー
ID3D11UnorderedAccessView* pBufResultUAV = NULL; // 出力用の構造化バッファーから作成されるアンオーダード アクセス ビュー
BUFIN_TYPE vBufInArray[NUM_ELEMENTS]; // 入力用バッファーの配列を宣言
// Direct3Dデバイス、およびコンピュートシェーダーを作成する
hr = CreateComputeDevice( &pD3DDevice, &pD3DDeviceContext, &pComputeShader );
if( FAILED( hr ) )
goto EXIT;
// 入力用バッファーに初期値を設定する
for ( int i = 0; i < NUM_ELEMENTS; i++ )
{
vBufInArray[i].i = i;
vBufInArray[i].f = static_cast<float>( NUM_ELEMENTS - 1 - i );
}
// コンピュートシェーダーへの入力時に使用するシェーダーリソースビューを作成する
hr = CreateSRVForStructuredBuffer( pD3DDevice, sizeof(BUFIN_TYPE), NUM_ELEMENTS, &vBufInArray[0], &pBuf, &pBufSRV );
if( FAILED( hr ) )
goto EXIT;
// コンピュートシェーダーからの出力時に使用するアンオーダードアクセスビューを作成する
hr = CreateUAVForStructuredBuffer( pD3DDevice, sizeof(BUFOUT_TYPE), NUM_ELEMENTS, NULL, &pBufResult, &pBufResultUAV );
if( FAILED( hr ) )
goto EXIT;
// コンピュートシェーダーを実行する
RunComputeShader( pD3DDeviceContext, pComputeShader, pBufSRV, pBufResultUAV, NUM_ELEMENTS / 2, 1, 1 );
// アンオーダードアクセスビューのバッファの内容を CPU から読み込み可能なバッファへコピーする
ID3D11Buffer* debugbuf = CreateAndCopyToDebugBuf( pD3DDevice, pD3DDeviceContext, pBufResult );
D3D11_MAPPED_SUBRESOURCE MappedResource;
pD3DDeviceContext->Map( debugbuf, 0, D3D11_MAP_READ, 0, &MappedResource );
BUFOUT_TYPE* p = reinterpret_cast<BUFOUT_TYPE*>(MappedResource.pData);
// コンピュートシェーダーの結果を出力
for( int i=0; i< NUM_ELEMENTS; i++ )
{
printf( "%d + %d = %d\n", i, NUM_ELEMENTS - 1 - i, p[i] );
}
pD3DDeviceContext->Unmap( debugbuf, 0 );
SAFE_RELEASE( debugbuf );
char str[6];
scanf_s("%5s", str, 6);
hr = S_OK;
EXIT:
SAFE_RELEASE( pBufSRV );
SAFE_RELEASE( pBufResultUAV );
SAFE_RELEASE( pBufResult );
SAFE_RELEASE( pBuf );
SAFE_RELEASE( pComputeShader );
SAFE_RELEASE( pD3DDeviceContext );
SAFE_RELEASE( pD3DDevice );
return 0;
}
１．CreateSRVForStructuredBuffer()
Direct3D11 デバイスとコンピュートシェーダーの作成を行います。
コンピュートシェーダーは、SM 4 でも動作可能ですが、サンプルでは対応していません。
２．CreateSRVForStructuredBuffer()
コンピュートシェーダーへの入力時に使用するシェーダーリソースビューを作成します。
シェーダーリソースビューの場合、コンピュートシェーダーでは読み込み専用の構造化バッファー( StructuredBuffer )とする必要があるようです。
３．CreateUAVForStructuredBuffer()
コンピュートシェーダーへからの出力時に使用するアンオーダードアクセスビューを作成します。
アンオーダードアクセスビューの場合、コンピュートシェーダーでは読み書き可能な構造化バッファー( RWStructuredBuffer )とする必要があるようです。
４．RunComputeShader()
ID3D11DeviceContext::Dispatch()でコンピュートシェーダーを実行します。
ID3D11DeviceContext::Dispatch()の引数は ( x, y, z ) 方向にディスパッチされたスレッドグループの数を指定するとのこと。
3次元ベクトルである理由がいまいちわからんので、わかり次第追記修正します
サンプルでは numthreads に ( 2, 1, 1 ) を指定しているので、ID3D11DeviceContext::Dispatch() には ( NUM_ELEMENTS / 2, 1, 1 ) を指定し、
NUM_ELEMENTS 個のスレッドを処理するようにしています。
５．CreateAndCopyToDebugBuf()
コンピュートシェーダーは GPU で処理されるので、書き込まれたバッファの内容を CPU から直接参照することはできません。
そのため CPU から参照可能なバッファーにいったんコピーしてから参照するようにします。
ぶっちゃけ地味なシェーダーでテンションが上がらないのですが、シェーダーには違いないので使ってみました。いまいちわかってないところがあるので、内容については全面的に信用しないように。
