嘿，各位未来的WebGPU大神们，今天咱们来聊聊如何在浏览器里“榨干”你的显卡！
很高兴能和大家一起探索WebGPU这个激动人心的新领域。说实话，以前在Web上搞GPU密集型计算，就像用小水管给大沙漠浇水，效率低下，令人抓狂。但现在，WebGPU来了，它就像一根强劲的水泵，让咱们可以尽情地在浏览器里玩转高性能图形和并行计算。
今天，我们就来深入了解一下WebGPU，看看它到底是什么，能干什么，以及如何用它来构建令人惊艳的Web应用。
1. WebGPU：Web的“涡轮增压”
WebGPU，顾名思义，是Web Graphics Processing Unit的缩写。它是一个新的Web API，旨在为Web应用提供现代GPU的功能，包括图形渲染和通用计算。简单来说，它允许你在浏览器中利用显卡进行高性能的计算，而不再局限于传统的CPU。
想想看，以前你想在浏览器里做个复杂的3D游戏，或者跑个大规模的机器学习模型，只能靠JavaScript慢慢啃。现在有了WebGPU，你可以把这些计算任务交给GPU，让它像一台高性能的并行计算机一样，嗖嗖嗖地完成任务。
WebGPU的优势：
- 高性能： 直接访问GPU，充分利用硬件加速。
- 跨平台： 基于Web标准，可以在各种操作系统和浏览器上运行。
- 安全性： 遵循Web安全模型，防止恶意代码攻击。
- 现代API： 采用了更现代的图形API概念，例如命令缓冲区和着色器模块。
WebGPU的适用场景：
- 3D图形： 游戏、可视化、建模等。
- 机器学习： 模型训练、推理等。
- 图像处理： 滤镜、特效、编辑等。
- 物理模拟： 粒子系统、流体模拟等。
- 科学计算： 数据分析、模拟等。
2. WebGPU的核心概念：像玩乐高一样搭建计算流程
WebGPU的编程模型有点像玩乐高，你需要将不同的组件组合在一起，才能构建出一个完整的计算流程。下面是一些核心概念：
- Device（设备）： 代表一个WebGPU设备，通常是你的显卡。它是所有WebGPU操作的入口点。
- Queue（队列）： 用于提交命令缓冲区，让GPU执行。
- Buffer（缓冲区）： 用于存储数据，例如顶点数据、纹理数据、计算结果等。
- Texture（纹理）： 用于存储图像数据。
- Sampler（采样器）： 用于访问纹理数据时进行过滤和插值。
- Shader Module（着色器模块）： 包含用WGSL（WebGPU Shading Language）编写的着色器代码。
- Render Pipeline（渲染管线）： 定义了渲染过程，包括顶点着色器、片元着色器、颜色附件等。
- Compute Pipeline（计算管线）： 定义了计算过程，包括计算着色器。
- Bind Group Layout（绑定组布局）： 定义了着色器如何访问资源（缓冲区、纹理等）。
- Bind Group（绑定组）： 将资源绑定到着色器。
- Command Encoder（命令编码器）： 用于记录一系列命令，例如设置渲染状态、绘制图形、运行计算着色器等。
- Command Buffer（命令缓冲区）： 包含一组命令，可以提交到队列执行。
用表格总结一下：
| 概念 | 描述 | 作用 |
|---|---|---|
| Device | 代表WebGPU设备（通常是显卡）。 | 所有WebGPU操作的入口点。 |
| Queue | 用于提交命令缓冲区。 | 让GPU执行命令。 |
| Buffer | 用于存储数据（顶点、纹理、计算结果等）。 | 存储各种数据，供着色器使用。 |
| Texture | 用于存储图像数据。 | 存储图像数据，供渲染使用。 |
| Sampler | 用于访问纹理数据时进行过滤和插值。 | 控制纹理采样的方式。 |
| Shader Module | 包含WGSL着色器代码。 | 定义了顶点着色器、片元着色器、计算着色器等。 |
| Render Pipeline | 定义了渲染过程。 | 指定如何将顶点数据转换为屏幕上的像素。 |
| Compute Pipeline | 定义了计算过程。 | 指定如何运行计算着色器。 |
| Bind Group Layout | 定义了着色器如何访问资源。 | 描述着色器需要哪些资源（缓冲区、纹理等）。 |
| Bind Group | 将资源绑定到着色器。 | 将实际的缓冲区、纹理等绑定到绑定组布局中。 |
| Command Encoder | 用于记录一系列命令。 | 记录渲染、计算等操作。 |
| Command Buffer | 包含一组命令。 | 可以提交到队列执行。 |
3. 第一个WebGPU程序：清空画布
咱们先来写一个最简单的WebGPU程序，它的功能就是把画布清空成一种颜色。这就像是给你的画板上了一层底色，准备开始创作。
HTML代码：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>WebGPU Clear Canvas</title>
<style>
body {
margin: 0;
overflow: hidden;
}
canvas {
width: 100vw;
height: 100vh;
display: block;
}
</style>
</head>
<body>
<canvas id="webgpu-canvas"></canvas>
<script src="script.js"></script>
</body>
</html>JavaScript代码 (script.js)：
async function initWebGPU() {
// 1. 获取canvas元素
const canvas = document.getElementById('webgpu-canvas');
// 2. 检查WebGPU是否可用
if (!navigator.gpu) {
alert("WebGPU is not supported on this browser.");
return;
}
// 3. 请求GPU适配器
const adapter = await navigator.gpu.requestAdapter();
if (!adapter) {
alert("No appropriate GPUAdapter found.");
return;
}
// 4. 请求GPU设备
const device = await adapter.requestDevice();
// 5. 获取canvas上下文
const context = canvas.getContext('webgpu');
// 6. 配置canvas上下文
const canvasFormat = navigator.gpu.getPreferredCanvasFormat();
context.configure({
device: device,
format: canvasFormat,
alphaMode: 'opaque' // 避免透明度问题
});
// 7. 创建渲染通道描述符
const renderPassDescriptor = {
colorAttachments: [
{
view: null, // 将在渲染时设置
clearValue: { r: 0.0, g: 0.5, b: 1.0, a: 1.0 }, // 清空颜色：浅蓝色
loadOp: 'clear', // 加载操作：清空
storeOp: 'store', // 存储操作：存储
},
],
};
// 8. 渲染循环
function render() {
// 8.1 获取当前纹理视图
renderPassDescriptor.colorAttachments[0].view = context.getCurrentTexture().createView();
// 8.2 创建命令编码器
const commandEncoder = device.createCommandEncoder();
// 8.3 开始渲染通道
const passEncoder = commandEncoder.beginRenderPass(renderPassDescriptor);
// 8.4 结束渲染通道
passEncoder.end();
// 8.5 完成命令编码
const commandBuffer = commandEncoder.finish();
// 8.6 提交命令缓冲区
device.queue.submit([commandBuffer]);
// 8.7 请求下一帧
requestAnimationFrame(render);
}
// 9. 开始渲染循环
render();
}
initWebGPU();代码解释：
- 获取canvas元素： 找到HTML中的canvas元素。
- 检查WebGPU是否可用： 确保浏览器支持WebGPU。
- 请求GPU适配器： 请求一个GPU适配器，它代表你的显卡。
- 请求GPU设备： 从适配器请求一个GPU设备，它是所有WebGPU操作的入口点。
- 获取canvas上下文： 获取canvas的WebGPU上下文。
- 配置canvas上下文： 配置上下文，指定设备、格式和alpha模式。
navigator.gpu.getPreferredCanvasFormat()能获取到浏览器推荐的格式，通常是最优的。 - 创建渲染通道描述符： 定义渲染通道的参数，例如清空颜色、加载操作和存储操作。
clearValue设置了清空颜色为浅蓝色。loadOp: 'clear'表示在渲染之前清空颜色附件。storeOp: 'store'表示在渲染之后存储颜色附件。 - 渲染循环：
- 获取当前纹理视图： 获取canvas的当前纹理视图，它将被用作颜色附件。
- 创建命令编码器： 创建一个命令编码器，用于记录渲染命令。
- 开始渲染通道： 开始一个渲染通道，并传入渲染通道描述符。
- 结束渲染通道： 结束渲染通道。
- 完成命令编码： 完成命令编码，生成命令缓冲区。
- 提交命令缓冲区： 将命令缓冲区提交到设备队列，让GPU执行。
- 请求下一帧： 使用
requestAnimationFrame函数请求下一帧，从而创建一个渲染循环。
- 开始渲染循环： 调用
render函数启动渲染循环。
运行结果：
你会看到一个浅蓝色的画布。恭喜你，你已经成功运行了你的第一个WebGPU程序！
4. WGSL：WebGPU的“灵魂”
WGSL（WebGPU Shading Language）是WebGPU的着色语言，它类似于GLSL，但更加现代化和安全。你需要使用WGSL编写着色器代码，才能在GPU上执行自定义的计算和渲染逻辑。
WGSL是一种强类型语言，具有清晰的语法和语义。它支持各种数据类型，例如标量、向量、矩阵、结构体等。它还支持各种控制流语句，例如if、else、for、while等。
一个简单的WGSL顶点着色器：
@vertex
fn main(@builtin(vertex_index) vertexIndex : u32) -> @builtin(position) vec4f {
let pos = array(
vec2f(-0.5, -0.5), // bottom left
vec2f(0.5, -0.5), // bottom right
vec2f(0.0, 0.5) // top middle
);
return vec4f(pos[vertexIndex], 0.0, 1.0);
}代码解释：
@vertex： 这是一个顶点着色器。fn main(...)： 这是着色器的入口函数。@builtin(vertex_index) vertexIndex : u32： 这是一个内置变量，表示当前顶点的索引。@builtin(position) vec4f： 这是一个内置变量，表示顶点的位置。let pos = array(...)： 定义一个顶点位置数组。return vec4f(pos[vertexIndex], 0.0, 1.0)： 返回当前顶点的位置。
一个简单的WGSL片元着色器：
@fragment
fn main() -> @location(0) vec4f {
return vec4f(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // 红色
}代码解释：
@fragment： 这是一个片元着色器。fn main(...)： 这是着色器的入口函数。@location(0) vec4f： 这是一个内置变量，表示输出颜色。return vec4f(1.0, 0.0, 0.0, 1.0)： 返回红色。
5. 渲染一个三角形：WebGPU的“Hello World”
现在，咱们来用WebGPU渲染一个简单的三角形。这就像是编程界的“Hello World”，是学习图形编程的必经之路。
JavaScript代码 (script.js)：
async function initWebGPU() {
const canvas = document.getElementById('webgpu-canvas');
if (!navigator.gpu) {
alert("WebGPU is not supported on this browser.");
return;
}
const adapter = await navigator.gpu.requestAdapter();
if (!adapter) {
alert("No appropriate GPUAdapter found.");
return;
}
const device = await adapter.requestDevice();
const context = canvas.getContext('webgpu');
const canvasFormat = navigator.gpu.getPreferredCanvasFormat();
context.configure({
device: device,
format: canvasFormat,
alphaMode: 'opaque'
});
// 1. 创建着色器模块
const shaderModule = device.createShaderModule({
code: `
@vertex
fn main(@builtin(vertex_index) vertexIndex : u32) -> @builtin(position) vec4f {
let pos = array(
vec2f(-0.5, -0.5), // bottom left
vec2f(0.5, -0.5), // bottom right
vec2f(0.0, 0.5) // top middle
);
return vec4f(pos[vertexIndex], 0.0, 1.0);
}
@fragment
fn main() -> @location(0) vec4f {
return vec4f(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // 红色
}
`,
});
// 2. 创建渲染管线
const renderPipeline = device.createRenderPipeline({
layout: 'auto', // 自动推断布局
vertex: {
module: shaderModule,
entryPoint: 'main',
},
fragment: {
module: shaderModule,
entryPoint: 'main',
targets: [
{
format: canvasFormat,
},
],
},
primitive: {
topology: 'triangle-list', // 指定图元拓扑结构为三角形列表
},
});
const renderPassDescriptor = {
colorAttachments: [
{
view: null,
clearValue: { r: 0.0, g: 0.5, b: 1.0, a: 1.0 },
loadOp: 'clear',
storeOp: 'store',
},
],
};
function render() {
renderPassDescriptor.colorAttachments[0].view = context.getCurrentTexture().createView();
const commandEncoder = device.createCommandEncoder();
const passEncoder = commandEncoder.beginRenderPass(renderPassDescriptor);
// 3. 设置渲染管线
passEncoder.setPipeline(renderPipeline);
// 4. 绘制三角形
passEncoder.draw(3, 1, 0, 0); // 3个顶点，1个实例，顶点偏移量为0，实例偏移量为0
passEncoder.end();
const commandBuffer = commandEncoder.finish();
device.queue.submit([commandBuffer]);
requestAnimationFrame(render);
}
render();
}
initWebGPU();代码解释：
- 创建着色器模块： 创建一个着色器模块，包含顶点着色器和片元着色器的代码。
- 创建渲染管线： 创建一个渲染管线，指定顶点着色器、片元着色器、颜色附件格式和图元拓扑结构。
layout: 'auto'表示自动推断绑定组布局。primitive: { topology: 'triangle-list' }指定了绘制三角形的方式，这里使用三角形列表，意味着每三个顶点组成一个三角形。 - 设置渲染管线： 在渲染通道中设置渲染管线。
- 绘制三角形： 使用
passEncoder.draw(3, 1, 0, 0)绘制三角形。3表示绘制3个顶点。1表示绘制1个实例。0, 0表示顶点和实例的偏移量。
运行结果：
你会看到一个红色的三角形出现在画布上。太棒了！你已经成功渲染了你的第一个WebGPU图形！
6. 总结与展望
今天，我们一起初步了解了WebGPU，学习了它的核心概念，并编写了两个简单的WebGPU程序：清空画布和渲染三角形。
WebGPU是一个非常强大和灵活的API，它可以让你在Web上实现各种高性能的图形和计算应用。虽然学习曲线可能有点陡峭，但是一旦掌握了它，你就可以创造出令人惊艳的Web体验。
未来，我们可以继续探索以下方面：
- 更复杂的着色器： 学习编写更高级的着色器代码，实现各种光照、阴影、纹理等效果。
- 缓冲区和纹理： 学习如何使用缓冲区和纹理存储和处理数据。
- 计算着色器： 学习如何使用计算着色器进行通用计算。
- 优化技巧： 学习如何优化WebGPU程序的性能。
- WebGPU框架： 学习使用现有的WebGPU框架，例如Three.js、Babylon.js等。
希望今天的讲座能够帮助你入门WebGPU。记住，学习编程就像攀登一座山峰，只要你坚持不懈，终将到达顶峰，欣赏到美丽的风景。
祝大家学习愉快！咱们下次再见！