欢迎来到 WebGPU 的世界

发表于 2年以前 | 总阅读数：735 次

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。

在主流框架中 WebGPU 的例子

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/es-module-shims@1.3.6/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;
  }

无框架手写WebGPU代码

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。