各位观众老爷们，今天咱来聊聊 WebGPU 这门新时代的渲染技术，保证让各位听得懂，学得会，还能在朋友面前秀一把。今天的主题是 WebGPU 的核心概念：Pipeline State Objects (PSO), Bind Groups, Render Passes，以及 JavaScript 如何跟它们打配合，实现高性能的 2D/3D 渲染。准备好了吗？发车！
WebGPU：新一代渲染引擎
WebGPU，你可以把它看作是 WebGL 的继任者，但它可不仅仅是升级版，而是彻底的革新。WebGL 虽然在浏览器中实现了 3D 渲染，但它基于 OpenGL ES，API 比较底层，使用起来比较繁琐，而且性能优化空间有限。WebGPU 的目标是提供更现代、更高效、更灵活的图形 API，让开发者能够充分利用 GPU 的强大算力，在 Web 上实现媲美原生应用的图形效果。
核心概念：渲染的乐高积木
WebGPU 的渲染过程就像搭乐高积木，你需要把各种模块组装起来，才能最终拼出一个完整的场景。下面我们就来一块一块地拆解这些积木。
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Pipeline State Objects (PSO)：渲染流水线的蓝图
PSO 是 WebGPU 中最重要的概念之一，你可以把它理解为渲染流水线的蓝图。它定义了渲染过程中的所有配置，包括顶点着色器、片元着色器、光栅化状态、深度/模板测试等等。
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为什么需要 PSO？
在 WebGL 中，你需要在每次绘制之前设置各种渲染状态，比如绑定着色器、设置混合模式、启用深度测试等等。这种方式效率低下，因为 GPU 需要频繁地切换状态。PSO 的出现解决了这个问题，它将所有渲染状态打包成一个对象，GPU 可以一次性加载并执行，避免了频繁的状态切换，大大提高了渲染效率。
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PSO 的组成部分
一个典型的 PSO 包含了以下几个部分：
- 顶点着色器 (Vertex Shader)： 处理顶点数据，进行坐标变换、光照计算等。
- 片元着色器 (Fragment Shader)： 处理像素数据，进行颜色计算、纹理采样等。
- Primitive Topology： 定义图元的类型，比如三角形列表、线段列表等。
- Rasterization State： 定义光栅化过程中的配置，比如剔除模式、多边形模式等。
- Depth/Stencil State： 定义深度/模板测试的配置，用于控制像素的可见性。
- Blend State： 定义混合模式，用于控制像素的颜色混合。
- Multisample State： 定义多重采样抗锯齿的配置。
- Vertex Buffer Layout： 定义顶点数据的格式，比如顶点位置、法线、纹理坐标等。
- Fragment Target State： 定义片元着色器的输出目标，比如颜色缓冲区、深度缓冲区等。
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JavaScript 中如何创建 PSO？
在 JavaScript 中，你可以使用
GPUComputePipeline或者GPURenderPipeline来创建 PSO。GPUComputePipeline用于计算着色器，而GPURenderPipeline用于渲染着色器。// 创建渲染管线描述符 const pipelineDescriptor = { layout: 'auto', // 或者手动指定 GPUBindGroupLayout vertex: { module: vertexShaderModule, // 顶点着色器模块 entryPoint: 'main', // 顶点着色器入口函数 buffers: [vertexBufferLayout], // 顶点缓冲区布局 }, fragment: { module: fragmentShaderModule, // 片元着色器模块 entryPoint: 'main', // 片元着色器入口函数 targets: [ { format: presentationFormat, // 颜色缓冲区格式 }, ], }, primitive: { topology: 'triangle-list', // 图元类型 cullMode: 'back', // 背面剔除 }, depthStencil: { depthWriteEnabled: true, depthCompare: 'less', format: 'depth24plus-stencil8', }, }; // 创建渲染管线 const renderPipeline = device.createRenderPipeline(pipelineDescriptor);这段代码创建了一个简单的渲染管线，它使用了顶点着色器
vertexShaderModule和片元着色器fragmentShaderModule，并指定了顶点缓冲区布局vertexBufferLayout、颜色缓冲区格式presentationFormat、图元类型triangle-list和背面剔除模式back。
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Bind Groups：数据的容器
Bind Groups 可以理解为数据的容器，它将着色器需要的数据绑定在一起，比如uniform 变量、纹理、采样器等等。
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为什么需要 Bind Groups？
着色器需要各种各样的数据才能完成渲染，比如模型矩阵、纹理图像、光照参数等等。在 WebGL 中，你需要分别绑定这些数据，代码比较冗长，而且容易出错。Bind Groups 的出现简化了数据绑定的过程，它将所有相关的数据打包成一个对象，方便着色器访问。
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Bind Group Layout：Bind Groups 的蓝图
在创建 Bind Groups 之前，你需要先定义 Bind Group Layout。Bind Group Layout 定义了 Bind Groups 中包含哪些资源，以及这些资源的类型和绑定点。
// 创建绑定组布局描述符 const bindGroupLayoutDescriptor = { entries: [ { binding: 0, // 绑定点 visibility: GPUShaderStage.VERTEX | GPUShaderStage.FRAGMENT, // 可见性 buffer: { type: 'uniform', // 缓冲区类型 }, }, { binding: 1, visibility: GPUShaderStage.FRAGMENT, sampler: { type: 'filtering', }, }, { binding: 2, visibility: GPUShaderStage.FRAGMENT, texture: { sampleType: 'float', viewDimension: '2d', }, }, ], }; // 创建绑定组布局 const bindGroupLayout = device.createBindGroupLayout(bindGroupLayoutDescriptor);这段代码创建了一个包含三个绑定的 Bind Group Layout：
- 绑定点 0：一个 uniform 缓冲区，用于存储模型矩阵等数据。
- 绑定点 1：一个采样器，用于纹理采样。
- 绑定点 2：一个纹理，用于存储图像数据。
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Bind Group：数据的实例
有了 Bind Group Layout 之后，你就可以创建 Bind Group 了。Bind Group 是 Bind Group Layout 的一个实例，它包含了实际的数据。
// 创建绑定组描述符 const bindGroupDescriptor = { layout: bindGroupLayout, // 绑定组布局 entries: [ { binding: 0, // 绑定点 resource: { buffer: uniformBuffer, // 缓冲区 }, }, { binding: 1, resource: sampler, // 采样器 }, { binding: 2, resource: textureView, // 纹理视图 }, ], }; // 创建绑定组 const bindGroup = device.createBindGroup(bindGroupDescriptor);这段代码创建了一个 Bind Group，它将 uniform 缓冲区
uniformBuffer、采样器sampler和纹理视图textureView绑定到了对应的绑定点上。 -
在着色器中访问 Bind Group 数据
在着色器中，你可以使用
@group(n) @binding(m)语法来访问 Bind Group 中的数据，其中n是 Bind Group 的索引，m是绑定点。@group(0) @binding(0) var<uniform> modelViewProjectionMatrix : mat4x4f; @group(0) @binding(1) var textureSampler : sampler; @group(0) @binding(2) var baseTexture : texture_2d<f32>; @fragment fn main(@location(0) uv : vec2f) -> @location(0) vec4f { let color = textureSample(baseTexture, textureSampler, uv); return color; }这段代码展示了如何在片元着色器中访问 Bind Group 中的数据。
modelViewProjectionMatrix是一个 uniform 变量，存储了模型视图投影矩阵；textureSampler是一个采样器，用于纹理采样；baseTexture是一个纹理，存储了图像数据。
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Render Passes：渲染指令的集合
Render Passes 可以理解为渲染指令的集合，它定义了渲染的目标、渲染的顺序以及渲染的配置。
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为什么需要 Render Passes？
在 WebGL 中，你需要手动设置渲染目标、清除颜色缓冲区和深度缓冲区等等。Render Passes 将这些操作封装起来，简化了渲染过程，并提供了更多的灵活性。
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Render Pass Descriptor：Render Passes 的蓝图
在创建 Render Passes 之前，你需要先定义 Render Pass Descriptor。Render Pass Descriptor 定义了 Render Passes 的目标、清除颜色、加载/存储操作等等。
// 创建渲染通道描述符 const renderPassDescriptor = { colorAttachments: [ { view: context.getCurrentTexture().createView(), // 颜色附件视图 clearValue: { r: 0.0, g: 0.0, b: 0.0, a: 1.0 }, // 清除颜色 loadOp: 'clear', // 加载操作 storeOp: 'store', // 存储操作 }, ], depthStencilAttachment: { view: depthTextureView, depthClearValue: 1.0, depthLoadOp: 'clear', depthStoreOp: 'store', stencilClearValue: 0, stencilLoadOp: 'clear', stencilStoreOp: 'store', }, };这段代码创建了一个简单的 Render Pass Descriptor，它指定了一个颜色附件和一个深度/模板附件。颜色附件使用当前纹理的视图，并使用黑色清除颜色缓冲区。深度/模板附件使用
depthTextureView，并使用 1.0 清除深度缓冲区。 -
Rendering Commands：渲染指令
在 Render Pass 中，你可以执行各种渲染指令，比如设置视口、绑定 PSO、绑定 Bind Groups、绘制图元等等。
// 开始渲染通道 const commandEncoder = device.createCommandEncoder(); const renderPass = commandEncoder.beginRenderPass(renderPassDescriptor); // 设置视口 renderPass.setViewport(0, 0, canvas.width, canvas.height); // 设置裁剪矩形 renderPass.setScissorRect(0, 0, canvas.width, canvas.height); // 设置渲染管线 renderPass.setPipeline(renderPipeline); // 设置绑定组 renderPass.setBindGroup(0, bindGroup); // 设置顶点缓冲区 renderPass.setVertexBuffer(0, vertexBuffer); // 设置索引缓冲区 renderPass.setIndexBuffer(indexBuffer, 'uint32'); // 绘制图元 renderPass.drawIndexed(indexCount); // 结束渲染通道 renderPass.end(); // 提交命令缓冲区 device.queue.submit([commandEncoder.finish()]);这段代码展示了如何在 Render Pass 中执行渲染指令。它首先创建了一个命令编码器
commandEncoder，然后使用beginRenderPass方法开始渲染通道。接下来，它设置了视口、裁剪矩形、渲染管线、绑定组、顶点缓冲区和索引缓冲区，并使用drawIndexed方法绘制图元。最后，它使用end方法结束渲染通道，并使用submit方法提交命令缓冲区。
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JavaScript 与 WebGPU 的交互
JavaScript 是 WebGPU 的控制中心，你需要使用 JavaScript 代码来创建和配置 WebGPU 的各种对象，并控制渲染过程。
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获取 GPU 设备
首先，你需要获取 GPU 设备。
// 获取 GPU 设备 const adapter = await navigator.gpu.requestAdapter(); const device = await adapter.requestDevice();这段代码首先使用
navigator.gpu.requestAdapter方法获取 GPU 适配器，然后使用adapter.requestDevice方法获取 GPU 设备。 -
创建缓冲区
你需要创建缓冲区来存储顶点数据、索引数据、uniform 数据等等。
// 创建缓冲区 const vertexBuffer = device.createBuffer({ size: vertexData.byteLength, // 缓冲区大小 usage: GPUBufferUsage.VERTEX | GPUBufferUsage.COPY_DST, // 缓冲区用途 mappedAtCreation: true, // 是否映射到 CPU 可访问的内存 }); // 将顶点数据写入缓冲区 new Float32Array(vertexBuffer.getMappedRange()).set(vertexData); // 取消映射 vertexBuffer.unmap();这段代码创建了一个顶点缓冲区，它的大小为
vertexData.byteLength，用途为GPUBufferUsage.VERTEX | GPUBufferUsage.COPY_DST，并映射到 CPU 可访问的内存。然后，它将顶点数据写入缓冲区，并取消映射。 -
创建纹理
你需要创建纹理来存储图像数据。
// 创建纹理 const texture = device.createTexture({ size: [imageWidth, imageHeight], // 纹理大小 format: 'rgba8unorm', // 纹理格式 usage: GPUTextureUsage.TEXTURE_BINDING | GPUTextureUsage.COPY_DST | GPUTextureUsage.RENDER_ATTACHMENT, // 纹理用途 }); // 将图像数据写入纹理 device.queue.copyExternalImageToTexture( { source: imageBitmap }, // 图像源 { texture: texture }, // 纹理目标 [imageWidth, imageHeight] // 图像大小 );这段代码创建了一个纹理，它的大小为
[imageWidth, imageHeight]，格式为rgba8unorm，用途为GPUTextureUsage.TEXTURE_BINDING | GPUTextureUsage.COPY_DST | GPUTextureUsage.RENDER_ATTACHMENT。然后，它将图像数据写入纹理。 -
提交渲染命令
最后，你需要提交渲染命令，让 GPU 执行渲染操作。
// 创建命令编码器 const commandEncoder = device.createCommandEncoder(); // 创建渲染通道 const renderPass = commandEncoder.beginRenderPass(renderPassDescriptor); // ... 设置渲染状态和绘制命令 ... // 结束渲染通道 renderPass.end(); // 提交命令缓冲区 device.queue.submit([commandEncoder.finish()]);这段代码创建了一个命令编码器
commandEncoder，然后使用beginRenderPass方法开始渲染通道。接下来，它设置了渲染状态和绘制命令，并使用end方法结束渲染通道。最后，它使用submit方法提交命令缓冲区。
WebGPU 性能优化技巧
- 减少状态切换： 尽量使用 PSO 将渲染状态打包在一起，避免频繁的状态切换。
- 批量渲染： 尽量将多个物体合并成一个批次进行渲染，减少绘制调用次数。
- 使用索引缓冲区： 尽量使用索引缓冲区来共享顶点数据，减少顶点数据的传输量。
- 纹理压缩： 尽量使用纹理压缩技术来减少纹理数据的存储空间和传输带宽。
- Mipmapping： 尽量使用 Mipmapping 技术来提高纹理采样的效率和质量。
- 避免不必要的计算： 尽量在顶点着色器中完成一些计算，避免在片元着色器中重复计算。
总结
WebGPU 提供了强大的渲染能力，但同时也带来了一定的复杂性。通过理解 PSO、Bind Groups 和 Render Passes 这些核心概念，你可以更好地掌握 WebGPU 的渲染过程，并充分利用 GPU 的强大算力，在 Web 上实现高性能的 2D/3D 渲染。
最后，来个小测验，看看大家有没有认真听讲：
- PSO 是什么？它有什么作用？
- Bind Groups 用于存储什么类型的数据？
- Render Passes 定义了什么？
好了，今天的讲座就到这里，希望大家有所收获！咱们下回再见！