欢迎来到 WebGPU 的世界
WebGPU是一门神奇的技术，在浏览器支持率0%，标准还没有定稿的情况下，就已经被Three.js和Babylon.js等主流3D和游戏框架支持了。而且被Tensorflow.js用来加速手机端的深度学习，比起WebGL能带来20～30倍的显著提升。
1、在Three.js中使用WebGPU
使用Three.js的封装，我们可以直接生成WebGPU的调用。
我们照猫画虎引入WebGPU相关的库：
import * as THREE from 'three';
import * as Nodes from 'three-nodes/Nodes.js';
import { add, mul } from 'three-nodes/ShaderNode.js';
import WebGPU from './jsm/capabilities/WebGPU.js';
import WebGPURenderer from './jsm/renderers/webgpu/WebGPURenderer.js';
...
剩下就跟普通的WebGL代码写起来差不多：
async function init() {
if ( WebGPU.isAvailable() === false ) {
document.body.appendChild( WebGPU.getErrorMessage() );
throw new Error( 'No WebGPU support' );
}
const container = document.createElement( 'div' );
document.body.appendChild( container );
camera = new THREE.PerspectiveCamera( 45, window.innerWidth / window.innerHeight, 1, 4000 );
camera.position.set( 0, 200, 1200 );
scene = new THREE.Scene();
...
只不过渲染器使用WebGPURenderer：
renderer = new WebGPURenderer();
renderer.setPixelRatio( window.devicePixelRatio );
renderer.setSize( window.innerWidth, window.innerHeight );
container.appendChild( renderer.domElement );
...
如果封装的不能满足需求了，我们可以使用WGSL语言进行扩展：
material = new Nodes.MeshBasicNodeMaterial();
material.colorNode = desaturateWGSLNode.call( { color: new Nodes.TextureNode( texture ) } );
materials.push( material );
const getWGSLTextureSample = new Nodes.FunctionNode( `
fn getWGSLTextureSample( tex: texture_2d<f32>, tex_sampler: sampler, uv:vec2<f32> ) -> vec4<f32> {
return textureSample( tex, tex_sampler, uv ) * vec4<f32>( 0.0, 1.0, 0.0, 1.0 );
}
` );
const textureNode = new Nodes.TextureNode( texture );
material = new Nodes.MeshBasicNodeMaterial();
material.colorNode = getWGSLTextureSample.call( { tex: textureNode, tex_sampler: textureNode, uv: new Nodes.UVNode() } );
materials.push( material );
WGSL是WebGPU进行GPU指令编程的语言。类似于OpenGL的GLSL, Direct3D的HLSL。
我们来看一个完整的例子，显示一个跳舞的小人，也不过100多行代码:
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<title>three.js - WebGPU - Skinning</title>
<meta charset="utf-8">
<meta name="viewport" content="width=device-width, user-scalable=no, minimum-scale=1.0, maximum-scale=1.0">
<link type="text/css" rel="stylesheet" href="main.css">
<meta http-equiv="origin-trial" content="AoS1pSJwCV3KRe73TO0YgJkK9FZ/qhmvKeafztp0ofiE8uoGrnKzfxGVKKICvoBfL8dgE0zpkp2g/oEJNS0fDgkAAABeeyJvcmlnaW4iOiJodHRwczovL3RocmVlanMub3JnOjQ0MyIsImZlYXR1cmUiOiJXZWJHUFUiLCJleHBpcnkiOjE2NTI4MzE5OTksImlzU3ViZG9tYWluIjp0cnVlfQ==">
</head>
<body>
<div id="info">
<a href="https://threejs.org" target="_blank" rel="noopener">three.js</a> WebGPU - Skinning
</div>
<script async src="https://unpkg.com/[email protected]/dist/es-module-shims.js"></script>
<script type="importmap">
{
"imports": {
"three": "../build/three.module.js",
"three-nodes/": "./jsm/nodes/"
}
}
</script>
<script type="module">
import * as THREE from 'three';
import * as Nodes from 'three-nodes/Nodes.js';
import { FBXLoader } from './jsm/loaders/FBXLoader.js';
import WebGPU from './jsm/capabilities/WebGPU.js';
import WebGPURenderer from './jsm/renderers/webgpu/WebGPURenderer.js';
import LightsNode from 'three-nodes/lights/LightsNode.js';
let camera, scene, renderer;
let mixer, clock;
init().then( animate ).catch( error );
async function init() {
if ( WebGPU.isAvailable() === false ) {
document.body.appendChild( WebGPU.getErrorMessage() );
throw new Error( 'No WebGPU support' );
}
camera = new THREE.PerspectiveCamera( 50, window.innerWidth / window.innerHeight, 1, 1000 );
camera.position.set( 100, 200, 300 );
scene = new THREE.Scene();
camera.lookAt( 0, 100, 0 );
clock = new THREE.Clock();
// 光照
const light = new THREE.PointLight( 0xffffff );
camera.add( light );
scene.add( camera );
const lightNode = new LightsNode().fromLights( [ light ] );
const loader = new FBXLoader();
loader.load( 'models/fbx/Samba Dancing.fbx', function ( object ) {
mixer = new THREE.AnimationMixer( object );
const action = mixer.clipAction( object.animations[ 0 ] );
action.play();
object.traverse( function ( child ) {
if ( child.isMesh ) {
child.material = new Nodes.MeshStandardNodeMaterial();
child.material.lightNode = lightNode;
}
} );
scene.add( object );
} );
// 渲染
renderer = new WebGPURenderer();
renderer.setPixelRatio( window.devicePixelRatio );
renderer.setSize( window.innerWidth, window.innerHeight );
document.body.appendChild( renderer.domElement );
window.addEventListener( 'resize', onWindowResize );
return renderer.init();
}
function onWindowResize() {
camera.aspect = window.innerWidth / window.innerHeight;
camera.updateProjectionMatrix();
renderer.setSize( window.innerWidth, window.innerHeight );
}
function animate() {
requestAnimationFrame( animate );
const delta = clock.getDelta();
if ( mixer ) mixer.update( delta );
renderer.render( scene, camera );
}
function error( error ) {
console.error( error );
}
</script>
</body>
</html>
2、在Babylon.js中使用WebGPU
Babylon.js的封装与Three.js大同小异，我们来看个PlayGround的效果：
不同之处在于处理WebGPU的支持情况时，Babylon.js并不判断整体上支不支持WebGPU，而是只看具体功能。
比如上面的例子，只判断是不是支持计算着色器。
const supportCS = engine.getCaps().supportComputeShaders;
不过目前在macOS上，只有WebGPU支持计算着色器。
如果我们把环境切换成WebGL2，就变成下面这样了：
顺便说一句，Babylon.js判断WebGL2和WebGL时也是同样的逻辑，有高就用高。
如果对于着色器不熟悉，Babylon.js提供了练习Vertex Shader和Pixel Shader的环境：https://cyos.babylonjs.com/ , 带语法高亮和预览。
针对需要通过写手机应用的场景，Babylon.js提供了与React Native结合的能力：
3、用WebGPU进行深度学习加速
除了3D界面和游戏，深度学习的推理器也是GPU的重度用户。所以Tensorflow.js也在还落不了地的时候就支持了WebGPU。实在是计算着色器太重要了。
写出来的加速代码就像下面一样，很多算子的实现最终是由WGSL代码来实现的，最终会转换成GPU的指令。
getUserCode(): string {
const rank = this.xShape.length;
const type = getCoordsDataType(rank);
const start = this.xShape.map((_, i) => `uniforms.pad${i}[0]`).join(',');
const end = this.xShape
.map(
(_, i) => `uniforms.pad${i}[0] + uniforms.xShape${
rank > 1 ? `[${i}]` : ''}`)
.join(',');
const startValue = rank > 1 ? `${type}(${start})` : `${start}`;
const endValue = rank > 1 ? `${type}(${end})` : `${end}`;
const leftPadCondition = rank > 1 ? `any(outC < start)` : `outC < start`;
const rightPadCondition = rank > 1 ? `any(outC >= end)` : `outC >= end`;
const unpackedCoords = rank > 1 ?
['coords[0]', 'coords[1]', 'coords[2]', 'coords[3]'].slice(0, rank) :
'coords';
const userCode = `
${getMainHeaderAndGlobalIndexString()}
if (index < uniforms.size) {
let start = ${startValue};
let end = ${endValue};
let outC = getCoordsFromIndex(index);
if (${leftPadCondition} || ${rightPadCondition}) {
setOutputAtIndex(index, uniforms.constantValue);
} else {
let coords = outC - start;
setOutputAtIndex(index, getX(${unpackedCoords}));
}
}
}
`;
return userCode;
}
通过框架，我们可以迅速地跟上技术的前沿。但是，框架的封装也容易让我们迷失对于技术本质的把握。
现在我们来看看如何手写WebGPU代码。
1、从Canvas说起
不管是WebGL还是WebGPU，都是对于Canvas的扩展。做为HTML 5的重要新增功能，大家对于2D的Canvas应该都不陌生。
比如我们要画一个三角形，就可以调用lineTo API来实现：
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>Canvas</title>
</head>
<body>
<canvas id="webcanvas" width="200" height="200" style="background-color: #eee"></canvas>
<script>
const canvas=document.getElementById('webcanvas');
const ctx=canvas.getContext('2d');
ctx.beginPath();
ctx.moveTo(75,50);
ctx.lineTo(100,75);
ctx.lineTo(100,25);
ctx.fill();
</script>
</body>
画出来的结果如下：
我们要修改画出来的图的颜色怎么办？
ctx有fillStyle属性，支持CSS的颜色字符串。
比如我们设成红色，可以这么写：
ctx.fillStyle = 'red';
也可以这么写：
ctx.fillStyle = '#F00';
还可以这么写：
ctx.fillStyle = 'rgb(255,0,0,1)';
2、从2D到3D
从2D Canvas到3D WebGL的最大跨越，就是从调用API，到完全不同于JavaScript的新语言GLSL的出场。
第一步的步子我们迈得小一点，不画三角形了，只画一个点。
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>Test OpenGL for a point</title>
</head>
<body>
<canvas id="webgl" width="500" height="500" style="background-color: blue"></canvas>
<script>
const canvas = document.getElementById('webgl');
const gl = canvas.getContext('webgl');
const program = gl.createProgram();
const vertexShaderSource = `
void main(){
gl_PointSize=sqrt(20.0);
gl_Position =vec4(0.0,0.0,0.0,1.0);
}`;
const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
gl.shaderSource(vertexShader, vertexShaderSource);
gl.compileShader(vertexShader);
gl.attachShader(program, vertexShader);
const fragShaderSource = `
void main(){
gl_FragColor = vec4(1.0,0.0,0.0,1.0);
}
`;
const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
gl.shaderSource(fragmentShader, fragShaderSource);
gl.compileShader(fragmentShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);
gl.linkProgram(program);
gl.useProgram(program);
gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, 1);
</script>
</body>
</html>
getContext时将2d换成webgl。
我们可以加一行console.log(gl)来看下gl是什么东西：
我们可以看到，它是一个WebGLRenderingContext对象。
顺便说一句，之前我们拿到的2D的Context是CanvasRenderingContext2D。
下面就引入了两段程序中的程序，第一段叫做顶点着色器，用于顶点的坐标信息。第二段叫做片元着色器，用于配置如何进行一些属性的操作，在本例中我们做一个最基本的操作，改颜色。
我们先看顶点着色器的代码：
void main(){
gl_PointSize=sqrt(20.0);
gl_Position =vec4(0.0,0.0,0.0,1.0);
}
像其他语言一样，glsl中的代码也需要一个入口函数。
gl_PointSize是一个系统变量，用于存储点的大小。我特意给大小加个了sqrt函数，给大家展示glsl的库函数。
gl_Position用于存储起点的位置。vec4是由4个元素构成的向量。
GLSL的数据类型很丰富，包括标量、向量、数组、矩阵、结构体和采样器等。
标量有布尔型bool, 有符号整数int, 无符号整数uint和浮点数float 4种类型。
类型的使用方式跟C语言一样，比如我们用float来定义浮点变量。
float pointSize = sqrt(20.0);
gl_PointSize=pointSize;
GLSL没有double这样表示双精度的类型。在顶点着色器中是没有精度设置的。
但是在片元着色器中有精度的设置，需要指定低精度lowp, 中精度mediump和高精度highp. 一般采用中精度：
void main(){
mediump vec4 pointColor;
pointColor.r = 1.0;
pointColor.a = 1.0;
gl_FragColor = pointColor;
}
GLSL因为是基于C语言设计的，不支持泛型，所以每种向量同时有4种子类型的。
以四元组vec4为例，有4种类型：
vec4: 浮点型向量 ivec4: 整数型向量 uvec4: 无符号整数向量 bvec4: 布尔型向量。
另外还有vec2, vec3各有4种子类型，以此类推。
在GLSL里面，四元向量最常用的用途有两种，在顶点着色器里充当坐标，和在片元着色器里充当颜色。
当vec4作为坐标使用时，我们可以用x,y,z,w属性来对应4个维度。
我们来看个例子：
vec4 pos;
pos.x = 0.0;
pos.y = 0.0;
pos.z = 0.0;
pos.w = 1.0;
gl_Position = pos;
同样，我们在片元着色器里面表示红色的时候只用指令r和a两个属性，g,b让它们默认是0:
void main(){
mediump vec4 pointColor;
pointColor.r = 1.0;
pointColor.a = 1.0;
gl_FragColor = pointColor;
}
有了顶点着色器和片元着色器的GLSL代码之后，我们将其进行编程，并attach到program上面。
最后再link和use这个program，就可以调用drawArrays来进行绘制了。
3、更现代的GPU编程方法
跨越了从 Canvas API到GLSL的鸿沟了之后，最后到WebGPU这一步相对就容易一些了。
我们要熟悉的是以Vulkan为代表的更现代的GPU的编程方法。
渲染管线不再是唯一，我们可以使用更通用的计算管线了。也不再有顶点着色器和片元着色器那么严格的限制。
另外最重要的一点是，为了提升GPU执行效率，WebGPU不再是像WebGL一样基本每一步都要由CPU来控制，我们使用commandEncoder将所有GPU指令打包在一起，一次性执行。
我们先看一下完整代码有个印象：
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>Test WebGPU</title>
</head>
<body>
<canvas id="webgpu" width="500" height="500" style="background-color: blue"></canvas>
<script>
async function testGPU() {
const canvas = document.getElementById('webgpu');
const gpuContext = canvas.getContext('webgpu');
const adapter = await navigator.gpu.requestAdapter();
const device = await adapter.requestDevice();
presentationFormat = gpuContext.getPreferredFormat(adapter);
gpuContext.configure({
device,
format: presentationFormat
});
const triangleVertWGSL = `
@stage(vertex)
fn main(@builtin(vertex_index) VertexIndex : u32)
-> @builtin(position) vec4<f32> {
var pos = array<vec2<f32>, 3>(
vec2<f32>(0.0, 0.5),
vec2<f32>(-0.5, -0.5),
vec2<f32>(0.5, -0.5));
return vec4<f32>(pos[VertexIndex], 0.0, 1.0);
}
`;
const redFragWGSL = `
@stage(fragment)
fn main() -> @location(0) vec4<f32> {
return vec4<f32>(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
}
`
const commandEncoder = device.createCommandEncoder();
const textureView = gpuContext.getCurrentTexture().createView();
const pipeline = device.createRenderPipeline({
vertex: {
module: device.createShaderModule({
code: triangleVertWGSL,
}),
entryPoint: 'main',
},
fragment: {
module: device.createShaderModule({
code: redFragWGSL,
}),
entryPoint: 'main',
targets: [
{
format: presentationFormat,
},
],
},
primitive: {
topology: 'triangle-list',
},
});
const renderPassDescriptor = {
colorAttachments: [
{
view: textureView,
loadValue: { r: 1.0, g: 1.0, b: 1.0, a: 1.0 },
storeOp: 'store',
},
],
};
const passEncoder = commandEncoder.beginRenderPass(renderPassDescriptor);
console.log(passEncoder);
passEncoder.setPipeline(pipeline);
passEncoder.draw(3, 1, 0, 0);
passEncoder.end();
device.queue.submit([commandEncoder.finish()]);
}
testGPU();
</script>
</body>
</html>
因为浏览器还没有支持，所以我们需要像Chrome Canary这样的支持最新技术的浏览器。而且还要打开支持的开关，比如在Chrome Canary里是enable-unsafe-webgpu.
三角形画出来的结果如下：
现在的Context从WebGL的WebGLRenderingContext变成了GPUCanvasContext。
WGSL语言的语法更像Rust，vec4这样的容器可以用泛型的写法绑定类型：
@stage(vertex)
fn main(@builtin(vertex_index) VertexIndex : u32)
-> @builtin(position) vec4<f32> {
var pos = array<vec2<f32>, 3>(
vec2<f32>(0.0, 0.5),
vec2<f32>(-0.5, -0.5),
vec2<f32>(0.5, -0.5));
return vec4<f32>(pos[VertexIndex], 0.0, 1.0);
}
对比下Rust的代码看看像不像：
fn fib2(n: i32) -> i64 {
if n <= 2 {
return 1i64
} else {
return fib2(n - 1) + fib2(n - 2)
}
}
WGSL是为了规避知识产权问题发明的新语言，本质上它和GLSL，HLSL等语言一样，都可以编译成Vulkan的SPIR-V二进制格式：.
Vulkan不限制使用什么样的语言，既可以使用GLSL, HLSL，也可以使用Open CL或者是Open CL的高级封装SYCL。
转换成SPIR-V格式之后，可以转成iOS上的Metal Shading Language，也可以转成Windows Direct 12上用的DXIL。
WebGPU没有这么自由，发明了一门新语言WGSL，不过其思想都是基于SPIR-V的。
在WebGPU和WGSL还未定版，资料还比较缺乏的情况下，我们可以先学习Vulkan相关的知识，然后迁移到WebGPU上来。本质上是同样的东西，只是封装略有不同。
我们之前学习的GLSL的知识同样用得上，而且在这种类Rust风格中可以写得更爽一些。
比如同样是给片元用的颜色值，在保留了vec4可以继续使用r,g,b,a分量的好处之外，因为指定了f32的精度，就不需要mediump了。而且，类型可以自动推断，我们直接给个var就好了：
@stage(fragment)
fn main() -> @location(0) vec4<f32> {
var triColor = vec4<f32>(0.0,0.0,0.0,0.0);
triColor.r = 1.0;
triColor.a = 1.0;
return triColor;
}
有了作为功能核心的WGSL，剩下的工作主要就是组装了。
我们把指令打包在 CommandEncoder中，然后通过beginRenderPass来创建一个渲染Pass，再给这个Pass设置一个渲染的流水线，添加相应的draw操作，最后提交到GPU设备的队列中，就大功告成了。
相对于基于OpenGL ES 2.0的WebGL 1.0，WebGPU更接近于Vulkan这样更能发挥GPU能力的新API，可以更有效地发挥出新的GPU的能力。就像渲染上Three.js和Babylon.js给我们展示的那样和计算上Tensorflow.js的飞跃一样。
虽然浏览器还不支持，但是不成熟的主要是封装，底层的Vulkan和Metal技术已经非常成熟，并且广泛被客户端所使用了。
WebGPU这个能力暴露给H5和小程序之后，将给元宇宙等热门应用插上性能倍增的翅膀。结合WebXR等支持率更成问题的新技术一起，成为未来几年前端的主要工具。
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