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CSS `Ray Tracing` (`WebGPU`) 结果用于 CSS `filter` 或 `backdrop-filter`

咳咳，大家好！今天咱们来聊点儿刺激的，把CSS玩出新高度！主题就是：CSS Ray Tracing (WebGPU) 结果用于 CSS filter 或 backdrop-filter。

这玩意儿听起来高大上，其实说白了，就是把光线追踪这种3D渲染技术，搬到网页上来，然后用它生成的结果，给CSS的filter或者backdrop-filter当燃料，让你的网页元素变得更炫酷。

一、啥是光线追踪(Ray Tracing)？

先别急着晕，咱们简单科普一下。光线追踪，顾名思义，就是模拟光线的传播路径。想象一下，你眼睛看到一个东西，是因为光线从光源出发，经过各种反射、折射，最后进入你的眼睛。光线追踪就是反过来，从你的“眼睛”（也就是屏幕上的像素）出发，向场景中发射光线，追踪这些光线与场景中物体的碰撞，计算出每个像素应该是什么颜色。

  • 优点： 真实感强，可以模拟复杂的光影效果，比如反射、折射、阴影等。
  • 缺点： 计算量巨大，非常吃硬件资源。

二、WebGPU：光线追踪的助推器

光线追踪这么耗资源，以前在网页上基本没戏。但是，WebGPU的出现，让这一切成为了可能。

WebGPU是下一代的Web图形API，它提供了更底层的访问权限，让我们可以直接利用GPU的强大计算能力。这意味着，我们可以在浏览器中进行高性能的图形计算，包括光线追踪。

三、CSS Filter 和 Backdrop-filter：锦上添花

有了光线追踪生成的结果，接下来就要用CSS filter和backdrop-filter来给网页元素“化妆”了。

  • filter： 给元素本身添加视觉效果。比如模糊、锐化、色彩调整等等。
  • backdrop-filter： 给元素背后的区域添加视觉效果。比如毛玻璃效果。

四、核心思路：数据流和渲染流程

整个流程大概是这样：

  1. WebGPU光线追踪： 用WebGPU编写光线追踪程序，渲染出一个图像（比如包含反射、阴影等效果的图像）。
  2. 获取渲染结果： 从WebGPU的渲染目标中读取像素数据，通常是Uint8Array类型的数组，包含了RGBA颜色信息。
  3. 创建图像数据： 把像素数据转换成浏览器可以识别的图像数据，比如ImageData对象或者OffscreenCanvas。
  4. 生成CSS Filter/Backdrop-filter： 将图像数据作为自定义CSS filter或者backdrop-filter的输入。
  5. 应用Filter/Backdrop-filter： 将自定义的CSS filter或者backdrop-filter应用到HTML元素上。

五、代码实战：一步步实现

这部分是重头戏，咱们用代码来演示一下。由于完整的WebGPU光线追踪代码比较复杂，这里我们简化一下，假设我们已经有了一个WebGPU渲染的结果，是一个Uint8Array类型的数组，包含了RGBA颜色信息。

5.1. HTML结构

首先，我们需要一个HTML元素来应用filter。

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>Ray Tracing with CSS Filter</title>
  <style>
    .element {
      width: 300px;
      height: 200px;
      background-color: lightblue;
      /* 关键：应用自定义filter */
      filter: custom-ray-tracing-filter();
    }

    body {
      background-color: #eee;
    }
  </style>
</head>
<body>
  <div class="element">
    This is the element with ray tracing filter.
  </div>
  <script src="script.js"></script>
</body>
</html>

5.2. JavaScript 代码 (script.js)

// 1. 模拟WebGPU渲染结果 (RGBA数据)
const width = 300;
const height = 200;
const pixelData = new Uint8Array(width * height * 4);

// 模拟一个简单的渐变色
for (let y = 0; y < height; y++) {
  for (let x = 0; x < width; x++) {
    const index = (y * width + x) * 4;
    const red = Math.floor(x / width * 255);
    const green = Math.floor(y / height * 255);
    const blue = 100;
    const alpha = 255;

    pixelData[index] = red;
    pixelData[index + 1] = green;
    pixelData[index + 2] = blue;
    pixelData[index + 3] = alpha;
  }
}

// 2. 创建ImageData对象
const imageData = new ImageData(pixelData, width, height);

// 3. 创建OffscreenCanvas (如果浏览器支持) 或者 Canvas
let canvas;
if (typeof OffscreenCanvas !== 'undefined') {
    canvas = new OffscreenCanvas(width, height);
} else {
    canvas = document.createElement('canvas');
    canvas.width = width;
    canvas.height = height;
}

const ctx = canvas.getContext('2d');
ctx.putImageData(imageData, 0, 0);

// 4. 创建自定义CSS Filter (使用CSS.registerProperty)
if (CSS.registerProperty) {
    CSS.registerProperty({
        name: '--ray-tracing-image',
        syntax: '<url>',
        inherits: false,
        initialValue: 'none',
    });

    CSS.registerProperty({
        name: '--ray-tracing-width',
        syntax: '<number>',
        inherits: false,
        initialValue: width,
    });

        CSS.registerProperty({
        name: '--ray-tracing-height',
        syntax: '<number>',
        inherits: false,
        initialValue: height,
    });

    // 创建 blob URL
    const blob = new Blob([canvas.toDataURL()], { type: 'image/png' });
    const imageUrl = URL.createObjectURL(blob);

    // 定义自定义Filter
    CSS.registerProperty({
        name: '--ray-tracing-filter-function',
        syntax: '<string>',
        inherits: false,
        initialValue: 'none'
    });

    // 创建自定义 filter 函数
    CSS.paintWorklet.addModule('paint-worklet.js');

    // 设置 CSS 变量
    document.documentElement.style.setProperty('--ray-tracing-image', `url(${imageUrl})`);
    document.documentElement.style.setProperty('--ray-tracing-width', width.toString());
    document.documentElement.style.setProperty('--ray-tracing-height', height.toString());
    document.documentElement.style.setProperty('--ray-tracing-filter-function', 'paint(ray-tracing-painter)');

} else {
    console.warn("CSS.registerProperty is not supported in this browser.");
}

5.3. Paint Worklet 代码 (paint-worklet.js)

这个文件需要单独创建，并且需要服务器环境才能正常运行，因为浏览器对 Worklet 的安全限制比较严格。

// paint-worklet.js
registerPaint('ray-tracing-painter', class {
  static get inputProperties() {
    return ['--ray-tracing-image', '--ray-tracing-width', '--ray-tracing-height'];
  }

  paint(ctx, geometry, properties) {
    const imageUrl = properties.get('--ray-tracing-image').toString().replace('url("','').replace('")','');
    const width = parseInt(properties.get('--ray-tracing-width').toString());
    const height = parseInt(properties.get('--ray-tracing-height').toString());

    const image = new Image();
    image.src = imageUrl;
    image.onload = () => {
      ctx.drawImage(image, 0, 0, width, height);
    };
  }
});

5.4 注意点：

  • 安全问题： Worklet对安全要求很高，需要使用HTTPS协议，并且需要配置正确的MIME类型。
  • 兼容性： CSS.registerProperty 和 Paint Worklet 的兼容性不是很好，需要做兼容性处理。可以使用 CSS.supports('paint(something)') 来检测 Paint API 的支持情况。
  • 性能： 频繁更新图像数据会影响性能，需要进行优化。

六、进阶玩法：动态光线追踪

上面的例子只是静态的，如果想要实现动态的光线追踪效果，就需要不断地更新WebGPU渲染结果，然后更新ImageData，最后重新绘制Canvas。

这会带来一些挑战：

  • 性能瓶颈： 频繁的数据传输和图像绘制会成为性能瓶颈。
  • 同步问题： WebGPU的渲染是异步的，需要处理好同步问题，避免出现画面撕裂。

为了解决这些问题，可以考虑以下优化方案：

  • 使用 SharedArrayBuffer： WebGPU和JavaScript之间可以通过SharedArrayBuffer共享内存，减少数据拷贝。
  • 使用 requestAnimationFrame： 使用requestAnimationFrame来控制更新频率，避免过度渲染。
  • 使用 Double Buffering： 使用两个Canvas，一个用于渲染，一个用于显示，交替切换，可以减少画面撕裂。

七、Backdrop-filter 的应用

把光线追踪结果用于backdrop-filter也很简单，只需要把filter改成backdrop-filter就可以了。

.element {
  width: 300px;
  height: 200px;
  background-color: rgba(255, 255, 255, 0.5); /* 半透明背景 */
  backdrop-filter: custom-ray-tracing-filter(); /* 应用 backdrop-filter */
}

八、总结与展望

今天我们简单地聊了一下如何把光线追踪的结果用于CSS filter和backdrop-filter。虽然这还处于比较实验性的阶段，但是它展示了Web技术的无限可能。

  • 优点： 可以实现更真实、更炫酷的视觉效果。
  • 缺点： 技术门槛高，性能要求高，兼容性问题多。

未来，随着WebGPU的普及和硬件的升级，相信这种技术会得到更广泛的应用，为我们的网页带来更多的惊喜。

九、代码示例表格

为了方便大家理解，这里我把代码示例整理成表格的形式：

文件名 内容 说明
index.html html <!DOCTYPE html> <html> <head> <title>Ray Tracing with CSS Filter</title> <style> .element { width: 300px; height: 200px; background-color: lightblue; filter: custom-ray-tracing-filter(); } body { background-color: #eee; } </style> </head> <body> <div class="element"> This is the element with ray tracing filter. </div> <script src="script.js"></script> </body> </html> HTML结构，定义了一个应用了自定义filter的div元素。
script.js javascript // 1. 模拟WebGPU渲染结果 const width = 300; const height = 200; const pixelData = new Uint8Array(width * height * 4); for (let y = 0; y < height; y++) { for (let x = 0; x < width; x++) { const index = (y * width + x) * 4; const red = Math.floor(x / width * 255); const green = Math.floor(y / height * 255); const blue = 100; const alpha = 255; pixelData[index] = red; pixelData[index + 1] = green; pixelData[index + 2] = blue; pixelData[index + 3] = alpha; } } // 2. 创建ImageData对象 const imageData = new ImageData(pixelData, width, height); // 3. 创建OffscreenCanvas let canvas; if (typeof OffscreenCanvas !== 'undefined') { canvas = new OffscreenCanvas(width, height); } else { canvas = document.createElement('canvas'); canvas.width = width; canvas.height = height; } const ctx = canvas.getContext('2d'); ctx.putImageData(imageData, 0, 0); // 4. 创建自定义CSS Filter if (CSS.registerProperty) { CSS.registerProperty({ name: '--ray-tracing-image', syntax: '<url>', inherits: false, initialValue: 'none', }); CSS.registerProperty({ name: '--ray-tracing-width', syntax: '<number>', inherits: false, initialValue: width, }); CSS.registerProperty({ name: '--ray-tracing-height', syntax: '<number>', inherits: false, initialValue: height, }); const blob = new Blob([canvas.toDataURL()], { type: 'image/png' }); const imageUrl = URL.createObjectURL(blob); CSS.registerProperty({ name: '--ray-tracing-filter-function', syntax: '<string>', inherits: false, initialValue: 'none' }); CSS.paintWorklet.addModule('paint-worklet.js'); document.documentElement.style.setProperty('--ray-tracing-image', `url(${imageUrl})`); document.documentElement.style.setProperty('--ray-tracing-width', width.toString()); document.documentElement.style.setProperty('--ray-tracing-height', height.toString()); document.documentElement.style.setProperty('--ray-tracing-filter-function', 'paint(ray-tracing-painter)'); } else { console.warn("CSS.registerProperty is not supported in this browser."); } JavaScript代码，模拟WebGPU渲染结果，创建ImageData对象，创建OffscreenCanvas，创建自定义CSS Filter。
paint-worklet.js javascript registerPaint('ray-tracing-painter', class { static get inputProperties() { return ['--ray-tracing-image', '--ray-tracing-width', '--ray-tracing-height']; } paint(ctx, geometry, properties) { const imageUrl = properties.get('--ray-tracing-image').toString().replace('url("','').replace('")',''); const width = parseInt(properties.get('--ray-tracing-width').toString()); const height = parseInt(properties.get('--ray-tracing-height').toString()); const image = new Image(); image.src = imageUrl; image.onload = () => { ctx.drawImage(image, 0, 0, width, height); }; } }); Paint Worklet代码，用于绘制自定义Filter。

十、一些可以深入研究的方向

  • 基于物理的渲染(PBR)： 将PBR材质应用到光线追踪中，可以获得更真实的渲染效果。
  • 神经网络加速： 使用神经网络来加速光线追踪的计算，比如降噪、超分辨率等。
  • 交互式光线追踪： 实现实时的光线追踪，让用户可以交互地改变场景，并实时看到渲染结果。

好了，今天的讲座就到这里。希望大家有所收获，也欢迎大家多多交流，一起探索Web技术的更多可能性！下次再见！

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