GPU程式設計市場應用

GPU全稱是Graphics Processing Unit，中文成為圖形處理器，所以GPU程式設計也叫圖形學程式設計，它是針對的顯示卡中的晶片程式設計，遊戲引擎的更新換代發展的一個重要階段是顯示卡晶片的出現，引擎的渲染能力得到極大提升。GPU 加速器於 2007 年由 NVIDIA® 率先推出，引擎的更新換代也是跟GPU硬體息息相關的，從固定流水線變成了可程式設計流水線，畫面品質得到了質的飛躍。總的來說，GPU程式設計主要分為兩大分支：

現在流行的大資料計算，採用的就是GPU叢集程式設計，從事GPU叢集程式設計可以從事一些高階的行業，比如大資料分析計算等等。另外，作為高效能運算新的應用領域，深度學習（Deep Learning）是近年來機器學習的熱點，以GPU叢集方式對資料或深度網路模型進行並行化，加速程式執行效率。已廣泛應用於Google、百度、Facebook，阿里，京東，華為等公司以及中國的高效能運算機。

我在讀研究生期間，我們經常利用GPU叢集解決海量資料的計算問題，比如：計算海量模型資料的網格分割，通過GPU集群后計算速度非常快。另外，GPU叢集還用於動漫的模型和場景渲染，網上有很多提供渲染服務的渲染農場，專用於對數以幾百萬面的模型渲染。

使用GPU在遊戲中的渲染，我們利用GPU渲染模型材質和場景，不論是模型材質還是每幀執行的遊戲圖片，它的內部都是由RGB或者RGBA元素組成，換句話說，它是由資料矩陣組成的，利用GPU對圖片資料進行再加工，就可以得到非常絢麗的畫面，GPU對矩陣計算效率非常高，我們只是簡單的利用了單GPU的計算能力就足以應付遊戲的渲染了。下圖是我們研發的引擎實現的遊戲截圖如下所示：

總之，我們不論做GPU叢集還是隻是用GPU做渲染，都是利用了GPU強大的加速計算能力。

GPU程式設計前景如何？

GPU叢集這塊給讀者簡單的介紹一下，它的前景非常好，也是未來一個發展趨勢，進入大資料時代，無人駕駛，機器人時代，這些都需要GPU處理，另外，市場上有很多大資料公司招聘需要GPU叢集能力的工程師，前景是非常看好的，市場需求很大。但是本課程主要針對的是GPU渲染程式設計，本課程會針對這方面進行重點講解。

目前國內最流行的引擎是Unity和UE4，二者都是國外製作的，雖然各大遊戲公司也有自己的引擎，實話實說，自研引擎跟商業引擎還是有些差距的，在這裡不是貶低國內自研引擎，不說別的，看看國內開發者對Unity和UE4引擎的使用就可以看出當前國內程式設計師的水平。下面是國外公司利用Unity渲染的效果，如下圖所示：

Unity引擎和UE4引擎雖然提供了Shader庫，但是在遊戲製作過程中還會有提一些新的需求，需要我們自己程式設計實現的效果。這些需求的實現就體現了GPU程式設計的水平了。

UE4渲染也是一樣的，國內的開發者對GPU程式設計的使用無法真正的發揮出它的渲染功力，我們看看國外公司製作的遊戲渲染畫面，如下圖所示：

我們經常說遊戲的評級:S級大作，A級大作，B級，C級，評級一方面是看畫面品質，一方面是看遊戲策劃，遊戲的第一印象還是畫面品質，這個就會涉及到GPU渲染。GPU渲染遍及遊戲的各個方面，從物體的渲染，粒子的渲染到整個場景的渲染，處處都有GPU的影子。

要想在激烈的IT競爭中立於不敗之地，作為程式設計師必須要不斷地提升自己的程式設計技能，除了掌握一門技術外，必須要再掌握一門技術，而且這門技術市場需求要大，不論你選擇是GPU叢集還是GPU渲染程式設計，雖然方向不同，但是都是利用GPU強大的計算以及加速能力。遊戲渲染這個分支市場需求同樣大，大家看看最近騰訊，網易公司招聘圖形學工程師薪資截圖：

還有很多的IT公司這裡就不一一列舉了，大家在百度或者招聘網站搜尋：圖形學工程師招聘，可以看到許多大大小小的公司對圖形學工程師的需求，而且薪資相對邏輯程式設計高一大截，前景形勢一片大好。

其實不論是使用Unity引擎和UE4引擎還是自研引擎，都離不開GPU程式設計，檢驗引擎其中一個非常重要的指標就是渲染。

如何學習GPU程式設計？

既然GPU程式設計前景這麼好，作為初級程式設計師或者想學習GPU程式設計的開發者該如何系統的學習呢？這個也是我們的課程所要解決的核心問題。學習一門語言，我們還是要尋找一門能夠系統的學習的課程，這個也是我們多年的工作經驗積累結果，市面上有很多關於GPU程式設計的書，比較經典的書籍《GPU Gems》系列，中文名字：《GPU程式設計精粹》，對於這些大部頭的書籍，並不適合初學者學習。而本課程的內容專門為初學者及以上的程式設計師量身打造的，主要分三大篇：

基礎篇：GPU程式設計常用的向量，矩陣，四元數運算以及GPU與CPU的通訊原理等等這些都是經過提煉後的知識，非常實用；

進階篇：掌握了基礎模組的知識後，接下來就要進一步學習與GPU相關的知識了，著色器，紋理，混合，模板等等都是與GPU程式設計相關的技術點，掌握這些技術點，為深入學習GPU程式設計打下堅實的基礎。

提高篇：本篇講解的都是與實際案例相關的技術，市面上執行的遊戲都與這些技術點相關，掌握了它們可以直接將其應用到自己的專案中；

在這裡我把學習大綱給讀者列一下：

下面就說說我設計這個課程的一些想法，嚴格來說我也是跨行業的，以前是搞伺服器的，讀研究生時方向變成了圖形學，剛接觸GPU程式設計，跟大多數程式設計師一樣的，對此啥都不懂，不管怎樣既然選擇了就要走下去，經過十多年的學習，逐步有了一些心得體會。目前國內學習圖形學的程式設計師相對來說比較少，在此也想把自己的一點經驗分享給哪些想從事圖形學開發的愛好者。

首先看基礎篇的內容，選擇了向量和矩陣運算，這兩個運算不僅在GPU中使用的頻繁，在遊戲引擎中也是最基礎的部分，非常重要。我也會在課程中詳細的介紹向量和矩陣的運算，這樣在後面的實戰專案裡面用起來就得心用手了。渲染管線的出現是引擎發展的一個里程碑，在沒有GPU之前，我們使用的是固定流水線，這個也是當時主流引擎使用的，我還專門為此寫過一本書《手把手教你架構3D遊戲引擎》電子出版社，感興趣的讀者可以看看。另外也出過CSDN視訊教程：
《3D遊戲開發套餐》這些也是關於學習GPU程式設計的基礎，基本的向量和矩陣運算，GPU出現後，以前的固定流水線變成了可程式設計流水線。GPU強大的計算能力，不僅應用於渲染，也加速了人工智慧，深度學習這些大資料平臺的發展。可程式設計渲染管線從DX9開始到現在比較成熟的DX12，自身也經歷了發展，從頂點著色器，可程式設計著色器，到幾何渲染，軟體與硬體相互促進，效果也越來越好，效率也在逐步提升。給讀者展示一下DX12的可程式設計流水線：

上圖是DX11，DX12的固定流水線示意圖，明顯比以前的DX8，DX9多了很多項，這些都增加了渲染效果。會在後面的課程中詳細介紹，這裡給讀者提示一下。

CPU與GPU互動，我們在遊戲優化時，會看這幾個指標，DrawCall的數量，記憶體佔用，其中DrawCall的數量涉及到CPU與GPU的互動，為了讓讀者真正的明白二者的互動，會單獨拿出一節課講解。掌握了這些知識，對於學習GPU前期準備工作足夠了，接下來我們就需要進階了。

進階課程的中會用到我們基礎教程中的知識，我們的課程是環環相扣的，著色器程式設計作為Shader語言最基本的操作，作為開發者必須要掌握的，不論可程式設計流水線怎麼變換，頂點著色器和畫素著色器一直存在的。我們的GPU渲染說的直白一些，渲染是針對圖片進行的，也就是我們說的紋理，遊戲執行也是一張張圖片快速播放。紋理儲存的是RGB或者RGBA的畫素矩陣，GPU對矩陣的計算是非常鍾愛的，速度非常快。混合模式在渲染中比較常用，它針對的是需要鏤空的物體，比如樹葉渲染就會用到混合。

進階課程的後面的技術從模板到環境光散射，列這些技術的目的是讓讀者知道它們實現的原理，它們是GPU程式設計中的核心技術，這些技術在渲染中被廣泛應用，比如我們使用的Unity引擎和UE4引擎，二者都提供了這些技術點的實現。渲染並不是這些單一技術點的實現而是組合起來使用效果更佳，我們講解的技術點都是以實用實戰為主。

提高篇也是實戰篇為了方便讀者更快的掌握Shader程式設計我們使用了Unity這個應用最廣泛的引擎作為基礎，我們只需要關心Shader的編寫就可以了，而無需關心引擎內部的實現及優化。提高篇列舉的GPU實現知識點是遊戲專案實戰中經過檢驗過的，它們大部分都取自遊戲專案的開發。

我們這個課程設計了以上三個階段學習，是一個逐步進階的過程，也是GPU程式設計提升的過程，這麼設計的其中一個重要原因是讓開發者分階段學習，也是一個逐步提升，循序漸進的過程。專案中涉及到GPU程式設計，也會涉及一些優化技術講解，這樣讀者不僅會編寫GPU程式，也會在此基礎上進行優化。

總結

學習GPU程式設計,上面提到學習課程是最基礎的，必須要掌握的，但是GPU程式設計的學習遠遠不止這些，真正使用好了GPU程式設計，它能為我們做很多事情，甚至可以使用GPU編寫小遊戲。現在遊戲中使用的批處理，是CPU與GPU通訊的頻率，隨著硬體的革新，GPU的可程式設計流水線也會越來越容易。