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⚡ Compute Shader 移动端深度指南

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📚 1. 理论基础 (Theoretical Basis)

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1.1 核心定义

• GPGPU (General-Purpose computing on Graphics Processing Units): 利用 GPU 强大的并行计算能力处理非图形渲染任务。
• Compute Shader: 一种独立于渲染管线（不经过顶点/片元着色器）的 Shader 程序，用于通用计算。
• 线程模型:
  • Thread: 最小执行单元。
  • Group: 线程组，包含多个线程（如 8x8x1）。组内线程共享 Thread Group Shared Memory (TGSM)。
  • Dispatch: CPU 发起的调度指令，指定执行多少个 Group。

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1.2 移动端支持现状 (Mobile Support)

• API 要求:
  • OpenGL ES 3.1+: Android 5.0+ 基本都支持。
  • Metal: iOS (A7芯片以上) 完全支持。
  • Vulkan: Android 7.0+ 支持。
• 兼容性陷阱:
  • Mali GPU (部分旧型号): 对浮点精度支持不佳，可能导致计算结果与 PC 不一致。
  • 最大线程组限制: 移动端通常限制每个 Group 最大线程数为 256 或 512，而 PC 通常是 1024。安全做法是使用 64 (8x8) 或 128。
  • 读写限制: 旧设备可能不支持对同一纹理的随机读写 (UAV)，需使用 Ping-Pong Buffer 技术。

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🛠️ 2. 实践应用 (Practical Implementation)

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2.1 Vampirefall 适配场景

1. 海量弹幕计算 (Bullet Hell):
   • CPU 无法处理 5000+ 弹幕的位移和碰撞。
   • 方案: Compute Shader 计算位置 -> AppendStructuredBuffer 存储结果 -> DrawMeshInstancedIndirect 渲染。
2. 流场生成 (Flow Field):
   • 地图格子 100x100，每帧更新。
   • 方案: 一个 Kernel 计算所有格子的向量，性能比 C# Job System 快 10-50 倍。

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2.2 核心代码结构 (Unity HLSL & C#)

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HLSL (MyCompute.compute)

#pragma kernel CSMain

// 定义数据结构，必须与 C# struct 内存对齐
struct BulletData {
    float3 position;
    float3 velocity;
    float lifeTime;
};

// 读写缓冲区
RWStructuredBuffer<BulletData> bulletBuffer;
float deltaTime;

[numthreads(64, 1, 1)] // 推荐 64，兼容所有移动设备
void CSMain (uint3 id : SV_DispatchThreadID)
{
    // 防止越界
    uint index = id.x;
    if (index >= bulletBuffer.Length) return;

    // 逻辑处理
    BulletData b = bulletBuffer[index];
    b.position += b.velocity * deltaTime;
    b.lifeTime -= deltaTime;
    
    // 写回
    bulletBuffer[index] = b;
}

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C# (ComputeController.cs)

public class BulletSystem : MonoBehaviour
{
    public ComputeShader computeShader;
    private ComputeBuffer buffer;
    
    struct BulletData { ... } // 必须是 blittable 类型

    void Update()
    {
        int kernelHandle = computeShader.FindKernel("CSMain");
        
        // 设置参数
        computeShader.SetFloat("deltaTime", Time.deltaTime);
        computeShader.SetBuffer(kernelHandle, "bulletBuffer", buffer);
        
        // 调度: 总数 / 线程组大小，向上取整
        int groups = Mathf.CeilToInt(bulletCount / 64f);
        computeShader.Dispatch(kernelHandle, groups, 1, 1);
    }
}

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2.3 性能注意事项 (Performance Tips)

• 数据传输瓶颈: 最忌讳 每帧在 CPU 和 GPU 之间来回拷贝数据 (GetData / SetData)。
  • 正确做法: 数据常驻 GPU，渲染时直接用 Graphics.DrawMeshInstancedIndirect 读取 Buffer。
• 异步回读 (AsyncGPUReadback): 如果必须把结果拿回 CPU（例如判断怪物是否死亡以播放音效），必须使用 AsyncGPUReadback.Request，否则会卡死主线程等待 GPU 完成。

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🌟 3. 业界优秀案例 (Industry Best Practices)

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3.1 Dyson Sphere Program (戴森球计划)

• 机制: 戴森球壳面上数万个节点的旋转和能量传输。
• 实现: 纯 GPU 模拟。只有在玩家点击查看详情时，才异步回读少量数据到 CPU。
• 借鉴: 视觉表现层（弹幕、特效粒子）应完全脱离 CPU 逻辑。

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3.2 Genshin Impact (原神) - 移动端体积云

• 机制: 动态天气和体积云。
• 实现: 使用 Compute Shader 进行 3D 噪声采样和光照计算。
• 优化: 采用了半分辨率渲染 (Half-Resolution) 和时域重投影 (Temporal Reprojection) 来降低移动端负载。

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🔗 4. 参考资料 (References)

• 📄 Unity Manual: Compute Shaders
• 📄 Catlike Coding: Compute Shaders Tutorial - 入门必读
• 📺 GDC 2019: Mobile Compute Shaders in Fortnite
• 🌐 Mobile GPU Compatibility: Android Developer Guide