ComputeSharpDemo

基于 WinUI 3 + ComputeSharp 的 GPU 计算着色器实时渲染示例。

仓库地址：https://github.com/Johnwikix/ComputeSharpDemo

一个轻量的 Windows 桌面演示工程，把 ComputeSharp 的 HLSL 源生成能力塞进一个 WinUI 3 窗口里，所有画面都由 D3D12 计算着色器产出。支持 HDR/SDR 切换、DPI 适配、多显示器感知，并提供了一个插件式的 Shader 目录，便于扩展。

核心特性

• GPU 计算着色器实时渲染：ComputeSharp 3.2.0 + D3D12，HLSL 以源生成方式集成到 C# IComputeShader<T> 中
• HDR / SDR 切换：融合 WinRT DisplayInformation 与 DXGI 输出能力查询；窗口跨显示器移动或 Windows HDR 开关变化时自动重检测
• DPI 自适应：规避 WinUI #8219（SwapChainPanel 把 buffer 像素当 DIP 渲染），采用"宿主按物理像素缩放 + Panel 反向缩放"的双套尺寸方案
• 插件式 Shader 目录：通过 ShaderCatalog 元数据 + ShaderFactory 懒加载缓存，新增 shader 只需改 3 个文件，主窗口零改动
• Mica 背景 + 自定义标题栏：使用 WinUIEx 扩展
• 三架构 RID：win-x86 / win-x64 / win-arm64

预览

截图待补充。建议放入：

• 窗口默认效果（含 Mica 背景）
• Ray Trace 开启 HDR
• Protean Clouds 动画
• Ray Trace + RELAX 降噪器对比

图片存放目录：docs/screenshots/。占位说明见该目录下的 PLACEHOLDER.md。

技术栈

组件	版本 / 说明
桌面框架	WinUI 3 / Windows App SDK 2.3.1
运行时	.NET 10（net10.0-windows10.0.22621.0）
GPU 计算	ComputeSharp 3.2.0（HLSL 源生成）
DirectX 绑定	Vortice.Direct3D12 / Vortice.D3DCompiler / Vortice.DXGI 3.6.2
窗口扩展	WinUIEx 2.9.2
目标平台	win-x86 / win-x64 / win-arm64
发布策略	Release：PublishReadyToRun=true + PublishTrimmed=true
打包	MSIX（ComputeSharpDemo (Package).wapproj）

运行环境与前提条件

• 操作系统：Windows 10 1809（10.0.17763）及以上
• .NET SDK：.NET 10 SDK
• 显卡：DirectX 12 兼容显卡（WARP 软件渲染器不支持本工程使用的 D3D12 计算路径）
• HDR（可选）：HDR 显示器，用于验证 HDR 路径；Windows 系统的"使用 HDR"开关需提前开启
• MSIX 部署（可选）：Windows 10 1809+；需有效代码签名证书

实操命令（build / run / publish）请参考 Visual Studio F5、dotnet build / dotnet publish 或仓库内部 wiki；本 README 不在此处罗列命令。

项目结构

ComputeSharpDemo/
├─ ComputeSharpDemo/                  主应用项目
│  ├─ App.xaml(.cs)                   程序入口
│  ├─ MainWindow.xaml(.cs)            主窗口 + 着色器面板容器 + 工具栏
│  ├─ Shaders/
│  │  ├─ ProteanClouds/               nimitz 体积云 shader（自带 pass）
│  │  ├─ RayTrace/                    蒙特卡洛路径追踪 + 降噪
│  │  ├─ AppleMusic/                  Apple Music 风格背景（纯计算着色器移植）
│  │  ├─ ShaderCatalog.cs             元数据列表 + 懒加载工厂
│  │  ├─ ShaderFactory.cs             IShaderPass 实例缓存
│  │  ├─ IShaderPass.cs               Pass 抽象（Initialize / OnResize / SetMouse ...）
│  │  ├─ IShaderPassWithParameters.cs 带运行时参数的 Pass 扩展
│  │  └─ ShaderCapabilities.cs        能力位（UsesTime / UsesMouse / UsesResolution）
│  ├─ Hdr/                            HDR 检测 + 交换链渲染
│  │  ├─ HdrDisplayInfoTracker.cs     DisplayInformation 包装
│  │  ├─ HdrShaderPanel.cs            宿主 SwapChainPanel 控件
│  │  ├─ HdrSwapChainRenderer.cs      D3D12 渲染线程
│  │  ├─ HdrFullScreenPass.cs         HDR 全屏 shader
│  │  └─ SwapChainPanelNativeInterop.cs  WinRT / DXGI 互操作
│  └─ ADD_NEW_SHADER.md               新增 shader 的完整流程
├─ ComputeSharpDemo (Package)/        MSIX 打包项目
│  ├─ Package.appxmanifest            应用清单（声明 runFullTrust / systemAIModels）
│  └─ Images/                         图标资源
├─ docs/
│  ├─ hdr-pitfalls.md                 HDR 实现踩坑笔记
│  └─ screenshots/                    截图占位（待补充）
├─ ComputeSharpDemo.slnx              Solution
├─ LICENSE                            MIT 协议全文
└─ README.md                          本文件

内置 Shader

Protean Clouds

• 类型：Ray-march 体积云
• 作者：nimitz
• 原始来源：ShaderToy #3l23Rh
• 协议：CC BY-NC-SA 3.0
• 能力：UsesTime | UsesMouse | UsesResolution

Ray Trace

• 类型：蒙特卡洛路径追踪（球体场景）
• 作者：本仓库内置
• 可调参数：
  • MaxBounces：光线反弹次数（1–32）
  • Samples：每像素采样数（1–16）
  • 降噪器：
    • 无
    • 时域均值累加
    • RELAX
• 能力：UsesTime | UsesMouse | UsesResolution

Apple Music Inspired

• 类型：旋转专辑图层 + pinch 液态网格变形背景（Apple Music iOS 16.3 风格）
• 来源：移植自 Lyricify-Backgrounds 的 D3D11 顶点+像素着色器实现（Apache-2.0）
• 协议：Apache-2.0
• 能力：UsesTime | UsesResolution
• 实现要点：原始实现依赖顶点着色器光栅化（3 个旋转实例四边形 + Catmull-Clark 细分的 pinch 网格）。ComputeSharp 只有计算着色器，因此整个移植是"逐像素反解"：
  • 旋转图层：每像素逆向执行原 RotationVertex 的仿射变换链（变换可逆，覆盖判定为 [-1,1] 方块测试），按原绘制顺序自顶向下求值；
  • pinch 网格：每像素用牛顿迭代反解 warp(uv) = pixel（对网格做双线性插值），不收敛的折叠像素回退到与原始光栅化器等价的三角形穷举扫描（保持索引缓冲的绘制顺序语义）；
  • 高斯模糊：77 对双线性采样的可分离核，手动实现零边框采样并按 alpha 覆盖率归一化（替代 LinearZeroBorderSampler）；
  • 网格数据存放在两个只读结构化缓冲中，在着色器内按时间混合，无需每帧上传。
• 默认图片：C:\Users\90684\Pictures\3ce2647bd143f6d49cf58a483e6c9aa8.png（见 AppleMusicPass.DefaultArtworkPath，经 WIC 解码、最长边 ≤1024 后上传）
• 省略项：频谱驱动的缩放脉冲与专辑切换交叉淡入淡出（原实现依赖音频捕获，Demo 不采集音频）

HDR 支持

本工程同时走两条 HDR 探测路径，并合并成一份"有效"能力快照：

1. WinRT 路径：HdrDisplayInfoTracker 包装 DisplayInformation，跟随 Windows HDR 开关 / 显示器切换事件
2. DXGI 路径：HdrShaderPanel 通过 DXGI 查询当前输出是否支持 HDR，以及峰值亮度

首次检测到 HDR 可用时，HDR 自动开启一次；之后由工具栏右侧的 ToggleSwitch 完全由用户控制。窗口移动到另一台显示器时，会重新评估输出能力（多显示器混合 HDR/SDR 场景）。

更详细的实现难点与踩坑记录见 docs/hdr-pitfalls.md。

新增 Shader

新增一个 shader 通常需要：

1. 编写 Shaders/Xxx/XxxShader.cs —— 实现 IComputeShader<Float4>，并用 [ThreadGroupSize] / [GeneratedComputeShaderDescriptor] 标注
2. 编写 Shaders/Xxx/XxxPass.cs —— 继承 IShaderPass，负责状态管理与 dispatch
3. 在 Shaders/ShaderCatalog.cs 的 All 列表里追加一条 ShaderAuthoringInfo

主窗口（MainWindow.xaml.cs）无需任何修改。完整步骤见 ComputeSharpDemo/ADD_NEW_SHADER.md。

MSIX 部署小贴士

• Package.appxmanifest 中声明了 runFullTrust（桌面全信任）与 systemAIModels（系统 AI 模型）受限能力
• 最低运行时版本：Windows 10 1809（10.0.17763）
• 已测最高版本：Windows 11 26226
• 开发部署需要有效的代码签名证书；侧载或 Store 分发按需配置

已知问题与备注

• WinUI #8219：SwapChainPanel 把 swapchain buffer 像素当作 DIP 渲染，导致高 DPI 屏幕上图像被裁切。本工程通过把宿主 Canvas 设为物理像素尺寸，再把 panel 反向缩放回 DIP 槽位解决，详见 MainWindow.xaml.cs 的注释与 TrySyncPanelAndBuffer()
• WARP 软件渲染器：不支持本工程使用的 D3D12 计算着色器路径，需要真 GPU
• 多显示器 + DPI：仅靠 SizeChanged 无法覆盖 DPI-only 变更；本工程额外监听 XamlRoot.Changed 与 AppWindow.Changed 事件，并在 500 ms 节流的 DispatcherTimer 上做兜底重检测

许可与致谢

• 本项目代码：MIT © 2026 Johnwikix
• Protean Clouds Shader：CC BY-NC-SA 3.0 © nimitz
• Ray Trace Shader：本仓库内置
• Apple Music Inspired Shader：移植自 Lyricify-Backgrounds（Apache-2.0 © XY Wang），效果逆向自 Apple Music（iOS 16.3）
• 依赖致谢：ComputeSharp、Vortice.Windows、Windows App SDK、WinUIEx