歡迎來到 WebGPU 的世界
WebGPU 是一門神奇的技術，在瀏覽器支持率 0%，標準還沒有定稿的情況下，就已經被 Three.js 和 Babylon.js 等主流 3D 和遊戲框架支持了。而且被 Tensorflow.js 用來加速手機端的深度學習，比起 WebGL 能帶來 20～30 倍的顯著提升。
在主流框架中 WebGPU 的例子
1、在 Three.js 中使用 WebGPU
使用 Three.js 的封裝，我們可以直接生成 WebGPU 的調用。
我們照貓畫虎引入 WebGPU 相關的庫：
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 代碼寫起來差不多：
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();
...只不過渲染器使用 WebGPURenderer：
renderer = new WebGPURenderer();
renderer.setPixelRatio( window.devicePixelRatio );
renderer.setSize( window.innerWidth, window.innerHeight );
container.appendChild( renderer.domElement );
...如果封裝的不能滿足需求了，我們可以使用 WGSL 語言進行擴展：
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 進行 GPU 指令編程的語言。類似於 OpenGL 的 GLSL, Direct3D 的 HLSL。
我們來看一個完整的例子，顯示一個跳舞的小人，也不過 100 多行代碼:
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<title>three.js - WebGPU - Skinning</title>
<meta charset="utf-8">
<meta >
<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 的封裝與 Three.js 大同小異，我們來看個 PlayGround 的效果：
不同之處在於處理 WebGPU 的支持情況時，Babylon.js 並不判斷整體上支不支持 WebGPU，而是隻看具體功能。
比如上面的例子，只判斷是不是支持計算着色器。
const supportCS = engine.getCaps().supportComputeShaders;不過目前在 macOS 上，只有 WebGPU 支持計算着色器。
如果我們把環境切換成 WebGL2，就變成下面這樣了：
順便說一句，Babylon.js 判斷 WebGL2 和 WebGL 時也是同樣的邏輯，有高就用高。
如果對於着色器不熟悉，Babylon.js 提供了練習 Vertex Shader 和 Pixel Shader 的環境：https://cyos.babylonjs.com/ , 帶語法高亮和預覽。
針對需要通過寫手機應用的場景，Babylon.js 提供了與 React Native 結合的能力：
3、用 WebGPU 進行深度學習加速
除了 3D 界面和遊戲，深度學習的推理器也是 GPU 的重度用戶。所以 Tensorflow.js 也在還落不了地的時候就支持了 WebGPU。實在是計算着色器太重要了。
寫出來的加速代碼就像下面一樣，很多算子的實現最終是由 WGSL 代碼來實現的，最終會轉換成 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;
}無框架手寫 WebGPU 代碼
通過框架，我們可以迅速地跟上技術的前沿。但是，框架的封裝也容易讓我們迷失對於技術本質的把握。
現在我們來看看如何手寫 WebGPU 代碼。
1、從 Canvas 說起
不管是 WebGL 還是 WebGPU，都是對於 Canvas 的擴展。做爲 HTML 5 的重要新增功能，大家對於 2D 的 Canvas 應該都不陌生。
比如我們要畫一個三角形，就可以調用 lineTo API 來實現：
<!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>畫出來的結果如下：
我們要修改畫出來的圖的顏色怎麼辦？
ctx 有 fillStyle 屬性，支持 CSS 的顏色字符串。
比如我們設成紅色，可以這麼寫：
ctx.fillStyle = 'red';也可以這麼寫：
ctx.fillStyle = '#F00';還可以這麼寫：
ctx.fillStyle = 'rgb(255,0,0,1)';2、從 2D 到 3D
從 2D Canvas 到 3D WebGL 的最大跨越，就是從調用 API，到完全不同於 JavaScript 的新語言 GLSL 的出場。
第一步的步子我們邁得小一點，不畫三角形了，只畫一個點。
<!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 時將 2d 換成 webgl。
我們可以加一行console.log(gl)來看下 gl 是什麼東西：
我們可以看到，它是一個 WebGLRenderingContext 對象。
順便說一句，之前我們拿到的 2D 的 Context 是 CanvasRenderingContext2D。
下面就引入了兩段程序中的程序，第一段叫做頂點着色器，用於頂點的座標信息。第二段叫做片元着色器，用於配置如何進行一些屬性的操作，在本例中我們做一個最基本的操作，改顏色。
我們先看頂點着色器的代碼：
void main(){
gl_PointSize=sqrt(20.0);
gl_Position =vec4(0.0,0.0,0.0,1.0);
}像其他語言一樣，glsl 中的代碼也需要一個入口函數。
gl_PointSize 是一個系統變量，用於存儲點的大小。我特意給大小加個了 sqrt 函數，給大家展示 glsl 的庫函數。
gl_Position 用於存儲起點的位置。vec4 是由 4 個元素構成的向量。
GLSL 的數據類型很豐富，包括標量、向量、數組、矩陣、結構體和採樣器等。
標量有布爾型 bool, 有符號整數 int, 無符號整數 uint 和浮點數 float 4 種類型。
類型的使用方式跟 C 語言一樣，比如我們用 float 來定義浮點變量。
float pointSize = sqrt(20.0);
gl_PointSize=pointSize;GLSL 沒有 double 這樣表示雙精度的類型。在頂點着色器中是沒有精度設置的。
但是在片元着色器中有精度的設置，需要指定低精度 lowp, 中精度 mediump 和高精度 highp. 一般採用中精度：
void main(){
mediump vec4 pointColor;
pointColor.r = 1.0;
pointColor.a = 1.0;
gl_FragColor = pointColor;
}GLSL 因爲是基於 C 語言設計的，不支持泛型，所以每種向量同時有 4 種子類型的。
以四元組 vec4 爲例，有 4 種類型：
-
vec4: 浮點型向量
-
ivec4: 整數型向量
-
uvec4: 無符號整數向量
-
bvec4: 布爾型向量。
另外還有 vec2, vec3 各有 4 種子類型，以此類推。
在 GLSL 裏面，四元向量最常用的用途有兩種，在頂點着色器裏充當座標，和在片元着色器裏充當顏色。
當 vec4 作爲座標使用時，我們可以用 x,y,z,w 屬性來對應 4 個維度。
我們來看個例子：
vec4 pos;
pos.x = 0.0;
pos.y = 0.0;
pos.z = 0.0;
pos.w = 1.0;
gl_Position = pos;同樣，我們在片元着色器裏面表示紅色的時候只用指令 r 和 a 兩個屬性，g,b 讓它們默認是 0:
void main(){
mediump vec4 pointColor;
pointColor.r = 1.0;
pointColor.a = 1.0;
gl_FragColor = pointColor;
}有了頂點着色器和片元着色器的 GLSL 代碼之後，我們將其進行編程，並 attach 到 program 上面。
最後再 link 和 use 這個 program，就可以調用 drawArrays 來進行繪製了。
3、更現代的 GPU 編程方法
跨越了從 Canvas API 到 GLSL 的鴻溝了之後，最後到 WebGPU 這一步相對就容易一些了。
我們要熟悉的是以 Vulkan 爲代表的更現代的 GPU 的編程方法。
渲染管線不再是唯一，我們可以使用更通用的計算管線了。也不再有頂點着色器和片元着色器那麼嚴格的限制。
另外最重要的一點是，爲了提升 GPU 執行效率，WebGPU 不再是像 WebGL 一樣基本每一步都要由 CPU 來控制，我們使用 commandEncoder 將所有 GPU 指令打包在一起，一次性執行。
我們先看一下完整代碼有個印象：
<!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>因爲瀏覽器還沒有支持，所以我們需要像 Chrome Canary 這樣的支持最新技術的瀏覽器。而且還要打開支持的開關，比如在 Chrome Canary 裏是 enable-unsafe-webgpu.
三角形畫出來的結果如下：
現在的 Context 從 WebGL 的 WebGLRenderingContext 變成了 GPUCanvasContext。
WGSL 語言的語法更像 Rust，vec4 這樣的容器可以用泛型的寫法綁定類型：
@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);
}對比下 Rust 的代碼看看像不像：
fn fib2(n: i32) -> i64 {
if n <= 2 {
return 1i64
} else {
return fib2(n - 1) + fib2(n - 2)
}
}WGSL 是爲了規避知識產權問題發明的新語言，本質上它和 GLSL，HLSL 等語言一樣，都可以編譯成 Vulkan 的 SPIR-V 二進制格式：
Vulkan 不限制使用什麼樣的語言，既可以使用 GLSL, HLSL，也可以使用 Open CL 或者是 Open CL 的高級封裝 SYCL。
轉換成 SPIR-V 格式之後，可以轉成 iOS 上的 Metal Shading Language，也可以轉成 Windows Direct 12 上用的 DXIL。
WebGPU 沒有這麼自由，發明了一門新語言 WGSL，不過其思想都是基於 SPIR-V 的。
在 WebGPU 和 WGSL 還未定版，資料還比較缺乏的情況下，我們可以先學習 Vulkan 相關的知識，然後遷移到 WebGPU 上來。本質上是同樣的東西，只是封裝略有不同。
我們之前學習的 GLSL 的知識同樣用得上，而且在這種類 Rust 風格中可以寫得更爽一些。
比如同樣是給片元用的顏色值，在保留了 vec4 可以繼續使用 r,g,b,a 分量的好處之外，因爲指定了 f32 的精度，就不需要 mediump 了。而且，類型可以自動推斷，我們直接給個 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;
}有了作爲功能核心的 WGSL，剩下的工作主要就是組裝了。
我們把指令打包在 CommandEncoder 中，然後通過 beginRenderPass 來創建一個渲染 Pass，再給這個 Pass 設置一個渲染的流水線，添加相應的 draw 操作，最後提交到 GPU 設備的隊列中，就大功告成了。
小結
相對於基於 OpenGL ES 2.0 的 WebGL 1.0，WebGPU 更接近於 Vulkan 這樣更能發揮 GPU 能力的新 API，可以更有效地發揮出新的 GPU 的能力。就像渲染上 Three.js 和 Babylon.js 給我們展示的那樣和計算上 Tensorflow.js 的飛躍一樣。
雖然瀏覽器還不支持，但是不成熟的主要是封裝，底層的 Vulkan 和 Metal 技術已經非常成熟，並且廣泛被客戶端所使用了。
WebGPU 這個能力暴露給 H5 和小程序之後，將給元宇宙等熱門應用插上性能倍增的翅膀。結合 WebXR 等支持率更成問題的新技術一起，成爲未來幾年前端的主要工具。
Alibaba F2E 阿里巴巴前端官方公衆號
本文由 Readfog 進行 AMP 轉碼，版權歸原作者所有。
來源：https://mp.weixin.qq.com/s/SZvqpGJKGNeQfIa9fcp8XA