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Shaders de Cómputo

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Introducción

Los shaders de cómputo (Compute Shaders) son una característica avanzada de OpenGL que permite realizar cálculos generales en la GPU, fuera del pipeline de renderizado tradicional. Esto los hace extremadamente útiles para tareas que requieren un procesamiento paralelo masivo, como simulaciones físicas, procesamiento de imágenes y más.

Objetivos de esta sección:

  1. Entender qué son los shaders de cómputo y cómo se diferencian de otros tipos de shaders.
  2. Aprender a escribir y ejecutar un shader de cómputo básico.
  3. Explorar ejemplos prácticos y ejercicios para consolidar el conocimiento.

¿Qué es un Shader de Cómputo?

Un shader de cómputo es un programa que se ejecuta en la GPU y está diseñado para realizar tareas de cómputo general. A diferencia de los shaders de vértices o fragmentos, que están integrados en el pipeline de renderizado, los shaders de cómputo se ejecutan de manera independiente.

Características Clave:

  • Independencia del Pipeline de Renderizado: No están vinculados a la etapa de renderizado.
  • Paralelismo Masivo: Pueden ejecutar miles de hilos en paralelo.
  • Acceso a Memoria Compartida: Pueden leer y escribir en buffers de memoria compartida.

Configuración Inicial

Antes de escribir un shader de cómputo, es necesario asegurarse de que tu entorno de desarrollo esté configurado correctamente para soportar OpenGL 4.3 o superior, ya que los shaders de cómputo fueron introducidos en OpenGL 4.3.

Pasos para Configurar el Entorno:

  1. Actualizar Drivers de GPU: Asegúrate de tener los últimos drivers de tu tarjeta gráfica.
  2. Verificar la Versión de OpenGL: Utiliza una herramienta como glxinfo en Linux o OpenGL Extensions Viewer en Windows para verificar la versión de OpenGL.
  3. Configurar el Proyecto: Asegúrate de que tu proyecto esté configurado para usar OpenGL 4.3 o superior.

Escribiendo un Shader de Cómputo Básico

Código del Shader de Cómputo

A continuación, se muestra un ejemplo básico de un shader de cómputo que simplemente suma dos vectores.

#version 430

layout(local_size_x = 1, local_size_y = 1, local_size_z = 1) in;

layout(std430, binding = 0) buffer InputA {
    float A[];
};

layout(std430, binding = 1) buffer InputB {
    float B[];
};

layout(std430, binding = 2) buffer Output {
    float C[];
};

void main() {
    uint index = gl_GlobalInvocationID.x;
    C[index] = A[index] + B[index];
}

Explicación del Código

  • #version 430: Especifica la versión de OpenGL.
  • layout(local_size_x = 1, local_size_y = 1, local_size_z = 1) in;: Define el tamaño del grupo de trabajo.
  • layout(std430, binding = 0) buffer InputA { float A[]; };: Define un buffer de entrada.
  • layout(std430, binding = 1) buffer InputB { float B[]; };: Define otro buffer de entrada.
  • layout(std430, binding = 2) buffer Output { float C[]; };: Define un buffer de salida.
  • void main() { ... }: Función principal del shader de cómputo.

Ejecutando el Shader de Cómputo

Para ejecutar el shader de cómputo, necesitas crear y enlazar los buffers, compilar el shader y despacharlo.

// Crear y enlazar buffers
GLuint bufferA, bufferB, bufferC;
glGenBuffers(1, &bufferA);
glBindBuffer(GL_SHADER_STORAGE_BUFFER, bufferA);
glBufferData(GL_SHADER_STORAGE_BUFFER, sizeof(float) * N, dataA, GL_STATIC_DRAW);

glGenBuffers(1, &bufferB);
glBindBuffer(GL_SHADER_STORAGE_BUFFER, bufferB);
glBufferData(GL_SHADER_STORAGE_BUFFER, sizeof(float) * N, dataB, GL_STATIC_DRAW);

glGenBuffers(1, &bufferC);
glBindBuffer(GL_SHADER_STORAGE_BUFFER, bufferC);
glBufferData(GL_SHADER_STORAGE_BUFFER, sizeof(float) * N, nullptr, GL_STATIC_DRAW);

// Compilar y enlazar el shader de cómputo
GLuint computeShader = glCreateShader(GL_COMPUTE_SHADER);
glShaderSource(computeShader, 1, &computeShaderSource, nullptr);
glCompileShader(computeShader);

GLuint program = glCreateProgram();
glAttachShader(program, computeShader);
glLinkProgram(program);

// Despachar el shader de cómputo
glUseProgram(program);
glBindBufferBase(GL_SHADER_STORAGE_BUFFER, 0, bufferA);
glBindBufferBase(GL_SHADER_STORAGE_BUFFER, 1, bufferB);
glBindBufferBase(GL_SHADER_STORAGE_BUFFER, 2, bufferC);

glDispatchCompute(N, 1, 1);
glMemoryBarrier(GL_SHADER_STORAGE_BARRIER_BIT);

// Leer los resultados
glBindBuffer(GL_SHADER_STORAGE_BUFFER, bufferC);
float* result = (float*)glMapBufferRange(GL_SHADER_STORAGE_BUFFER, 0, sizeof(float) * N, GL_MAP_READ_BIT);

Explicación del Código

  • Creación y Enlace de Buffers: Se crean y enlazan los buffers de entrada y salida.
  • Compilación y Enlace del Shader: Se compila y enlaza el shader de cómputo.
  • Despacho del Shader: Se despacha el shader de cómputo para que se ejecute.
  • Lectura de Resultados: Se leen los resultados del buffer de salida.

Ejercicio Práctico

Ejercicio 1: Multiplicación de Vectores

Modifica el shader de cómputo para que realice la multiplicación de dos vectores en lugar de la suma.

Solución

#version 430

layout(local_size_x = 1, local_size_y = 1, local_size_z = 1) in;

layout(std430, binding = 0) buffer InputA {
    float A[];
};

layout(std430, binding = 1) buffer InputB {
    float B[];
};

layout(std430, binding = 2) buffer Output {
    float C[];
};

void main() {
    uint index = gl_GlobalInvocationID.x;
    C[index] = A[index] * B[index];
}

Ejercicio 2: Suma de Matrices

Escribe un shader de cómputo que realice la suma de dos matrices.

Solución

#version 430

layout(local_size_x = 16, local_size_y = 16, local_size_z = 1) in;

layout(std430, binding = 0) buffer InputA {
    float A[];
};

layout(std430, binding = 1) buffer InputB {
    float B[];
};

layout(std430, binding = 2) buffer Output {
    float C[];
};

void main() {
    uint row = gl_GlobalInvocationID.y;
    uint col = gl_GlobalInvocationID.x;
    uint index = row * MATRIX_SIZE + col;
    C[index] = A[index] + B[index];
}

Conclusión

En esta sección, hemos aprendido qué son los shaders de cómputo, cómo escribir uno básico y cómo ejecutarlo en OpenGL. Los shaders de cómputo son una herramienta poderosa para realizar cálculos paralelos en la GPU, y su comprensión es esencial para tareas avanzadas en gráficos y computación.

Próximos Pasos

En la siguiente sección, exploraremos los shaders de geometría, que permiten manipular la geometría de las primitivas en el pipeline de renderizado.

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