WebGPU迁移指南

迁移到 WebGPU 不仅仅意味着切换图形 API。这也是迈向网络图形未来的一步。但是，通过准备和理解，这种迁移会变得更好。在本文中，我们将讨论 WebGL 和即将推出的 WebGPU 之间的差异，并将介绍如何准备项目进行迁移。

1、WebGL和WebGPU的时间线

WebGL 与许多其他 Web 技术一样，其根源可以追溯到很久以前。要了解转向 WebGPU 背后的动力和动机，首先快速浏览一下 WebGL 开发的历史会很有帮助：

OpenGL 桌面版 (1993) OpenGL 桌面版首次亮相。
WebGL 1.0 (2011)：这是 WebGL 的第一个稳定版本，基于 OpenGL ES 2.0，该版本本身于 2007 年推出。它为 Web 开发人员提供了直接在浏览器中使用 3D 图形的能力，而无需额外的插件。
WebGL 2.0 (2017)：在第一个版本六年后推出，WebGL 2.0 基于 OpenGL ES 3.0 (2012)。该版本带来了许多改进和新功能，使网络上的 3D 图形更加强大。

近年来，人们对新的图形 API 的兴趣激增，这些 API 为开发人员提供了更多的控制力和灵活性：

Vulkan (2016)：由 Khronos 小组创建，这个跨平台 API 是 OpenGL 的“继承者”。 Vulkan 提供对图形硬件资源的较低级别访问，允许高性能应用程序更好地控制图形硬件。
D3D12 (2015)：该 API 由 Microsoft 创建，专用于 Windows 和 Xbox。 D3D12 是 D3D10/11 的后继版本，为开发人员提供了对图形资源更深入的控制。
Metal (2014)：Metal 由 Apple 创建，是 Apple 设备的专有 API。它的设计考虑到了 Apple 硬件上的最佳性能。

2、WebGPU 的当前状态以及未来发展

如今，从版本 113 开始，WebGPU 可通过 Google Chrome 和 Microsoft Edge 浏览器在 Windows、Mac 和 ChromeOS 等多个平台上使用。预计在不久的将来将支持 Linux 和 Android。

以下是一些已经支持（或提供实验性支持）WebGPU 的引擎：

Babylon JS：完全支持 WebGPU。
ThreeJS：目前处于实验支持状态。
PlayCanvas：正在开发中，但前景非常光明。
Unity：2023.2 alpha 版本中宣布了非常早期的实验性 WebGPU 支持。
Cocos Creator 3.6.2：正式支持WebGPU，成为该领域的先驱之一。
Construct：目前仅在 Windows、macOS 和 ChromeOS 的 v113+ 中受支持。

考虑到这一点，过渡到 WebGPU 或至少为这种过渡准备项目似乎是在不久的将来采取的及时步骤。

3、高层概念差异

让我们从初始化开始，看看 WebGL 和 WebGPU 之间的一些高级概念差异。

3.1 初始化

当开始使用图形 API 时，第一步是初始化用于交互的主对象。 WebGL 和 WebGPU 之间的这个过程有所不同，两个系统都有一些特殊之处。

WebGL：上下文模型

在 WebGL 中，这个对象被称为“上下文”，它本质上代表了在 HTML5 画布元素上绘图的接口。获取这个上下文非常简单：

const gl = canvas.getContext('webgl');

WebGL 的上下文实际上与特定的画布相关联。这意味着如果您需要在多个画布上渲染，则将需要多个上下文。

WebGPU：设备模型

WebGPU引入了一个称为“设备”的新概念。该设备代表你将与之交互的 GPU 抽象。初始化过程比 WebGL 中的稍微复杂一些，但它提供了更多的灵活性：

const adapter = await navigator.gpu.requestAdapter();
const device = await adapter.requestDevice();

const context = canvas.getContext('webgpu');
context.configure({
   device,
   format: 'bgra8unorm',
});

该模型的优点之一是一台设备可以在多个画布上渲染，甚至可以在没有画布上渲染。这提供了额外的灵活性；例如，一个设备可以控制多个窗口或上下文中的渲染。

3.2 程序和管道

WebGL 和 WebGPU 代表了管理和组织图形管道的不同方法。

WebGL：程序

在WebGL中，主要关注的是着色器程序。该程序结合了顶点和片段着色器，定义了顶点应如何变换以及每个像素应如何着色。

const program = gl.createProgram();
gl.attachShader(program, vertShader);
gl.attachShader(program, fragShader);
gl.bindAttribLocation(program, 'position', 0);
gl.linkProgram(program);

在 WebGL 中创建程序的步骤：

创建着色器：编写并编译着色器的源代码。
创建程序：将编译好的着色器附加到程序中，然后进行链接。
使用程序：渲染前激活程序。
数据传输：数据传输到激活的程序。

此过程允许灵活的图形控制，但也可能很复杂并且容易出错，特别是对于大型复杂的项目。

WebGPU：管道

WebGPU 引入了“管道”的概念，而不是单独的程序。该管道不仅结合了着色器，还结合了其他信息，这些信息在 WebGL 中被建立为状态。因此，在 WebGPU 中创建管道看起来更复杂：

 const pipeline = device.createRenderPipeline({
 layout: 'auto',
 vertex: {
   module: shaderModule, entryPoint: 'vertexMain',
   buffers: [{
     arrayStride: 12,
     attributes: [{
       shaderLocation: 0, offset: 0, format: 'float32x3'
     }]
   }],
 },
 fragment: {
   module: shaderModule, entryPoint: 'fragmentMain',
   targets: [{ format, }],
 },
});

在 WebGPU 中创建管道的步骤：

着色器定义：着色器源代码的编写和编译，类似于在 WebGL 中的完成方式。
管道创建：将着色器和其他渲染参数组合到管道中。
管道使用：管道在渲染之前激活。

WebGL 将渲染的各个方面分开，而 WebGPU 则尝试将更多方面封装到单个对象中，使系统更加模块化和灵活。 WebGPU 不像 WebGL 那样单独管理着色器和渲染状态，而是将所有内容组合到一个管道对象中。这使得该过程更加可预测并且不易出错。

3.3 Uniform

统一变量提供可供所有着色器实例使用的常量数据。

WebGL 1 中的Uniforms

在基本的WebGL中，我们能够直接通过API调用来设置统一变量。

GLSL：

uniform vec3 u_LightPos;
uniform vec3 u_LightDir;
uniform vec3 u_LightColor;

JavaScript：

const location = gl.getUniformLocation(p, "u_LightPos");
gl.uniform3fv(location, [100, 300, 500]);

此方法很简单，但需要对每个统一变量进行多次 API 调用。

WebGL 2 中的Uniform

随着 WebGL 2 的到来，我们现在能够将统一变量分组到缓冲区中。尽管您仍然可以使用单独的统一着色器，但更好的选择是使用统一缓冲区将不同的统一分组为更大的结构。然后，您可以立即将所有这些统一数据发送到 GPU，类似于在 WebGL 1 中加载顶点缓冲区的方式。这具有多个性能优势，例如减少 API 调用并更接近现代 GPU 的工作方式。

GLSL：

layout(std140) uniform ub_Params {
   vec4 u_LightPos;
   vec4 u_LightDir;
   vec4 u_LightColor;
};

JavaScript：

gl.bindBufferBase(gl.UNIFORM_BUFFER, 1, gl.createBuffer());

要在 WebGL 2 中绑定大型统一缓冲区的子集，您可以使用称为 bindBufferRange 的特殊 API 调用。在 WebGPU 中，有类似的称为动态统一缓冲区偏移量，您可以在调用 setBindGroup API 时传递偏移量列表。

4、着色器

从 WebGL 迁移到 WebGPU 不仅需要更改 API，还需要更改着色器。 WGSL 规范旨在使这种过渡平滑且直观，同时保持现代 GPU 的效率和性能。

4.1 着色器语言：GLSL 与 WGSL

WGSL 旨在成为 WebGPU 和本机图形 API 之间的桥梁。与 GLSL 相比，WGSL 看起来更冗长一些，但结构仍然很熟悉。

这是纹理着色器的示例：

GLSL：

sampler2D myTexture;
varying vec2 vTexCoord;
void main() {
  return texture(myTexture, vTexCoord);
}

WGSL：

[[group(0), binding(0)]] var mySampler: sampler;
[[group(0), binding(1)]] var myTexture: texture_2d<f32>;
[[stage(fragment)]]
fn main([[location(0)]] vTexCoord: vec2<f32>) -> [[location(0)]] vec4<f32> {
  return textureSample(myTexture, mySampler, vTexCoord);
}

4.2 数据类型比较

下表显示了 GLSL 和 WGSL 中基本数据类型和矩阵数据类型的比较：

从 GLSL 过渡到 WGSL 表明了对更严格的类型和数据大小的明确定义的渴望，这可以提高代码可读性并减少错误的可能性。

4.3 结构

声明结构的语法也发生了变化：

GLSL：

struct Light {
  vec3 position;
  vec4 color;
  float attenuation;
  vec3 direction;
  float innerAngle;
  float angle;
  float range;
};

WGSL：

struct Light {
  position: vec3<f32>,
  color: vec4<f32>,
  attenuation: f32,
  direction: vec3<f32>,
  innerAngle: f32,
  angle: f32,
  range: f32,
};

引入显式语法来声明 WGSL 结构中的字段强调了对更高清晰度的渴望，并简化了对着色器中数据结构的理解。

4.4 函数声明

GLSL：

float saturate(float x) {
	return clamp(x, 0.0, 1.0);
}

WGSL：

fn saturate(x: f32) -> f32 {
  return clamp(x, 0.0, 1.0);
}

更改 WGSL 中函数的语法反映了声明和返回值方法的统一，使代码更加一致和可预测。

4.5 内置函数

在 WGSL 中，许多内置 GLSL 函数已被重命名或替换。例如：

重命名WGSL中的内置函数不仅简化了它们的名称，而且使它们更加直观，这可以方便熟悉其他图形API的开发人员的过渡过程。

5、着色器转换

对于那些计划将项目从 WebGL 转换为 WebGPU 的人来说，重要的是要知道有一些工具可以自动将 GLSL 转换为 WGSL，例如 Naga，这是一个用于将 GLSL 转换为 WGSL 的 Rust 库。在 WebAssembly 的帮助下，它甚至可以在浏览器中正常工作。

以下是 Naga 支持的端点：

6、转换差异

纹理

迁移后，您可能会遇到翻转图像形式的惊喜。那些曾经将应用程序从 OpenGL 移植到 Direct3D（或反之亦然）的人已经面临过这个经典问题。

在 OpenGL 和 WebGL 的上下文中，纹理通常以起始像素对应于左下角的方式加载。但在实际应用中，很多开发者会从左上角开始加载图片，从而导致图片翻转错误。然而，这个错误可以通过其他因素来补偿，最终解决问题。

与 OpenGL 不同，Direct3D 和 Metal 等系统传统上使用左上角作为纹理的起点。考虑到这种方法对于许多开发人员来说似乎是最直观的，WebGPU 的创建者决定遵循这种做法。

视口空间

如果你的 WebGL 代码从帧缓冲区选择像素，请做好准备，因为 WebGPU 使用不同的坐标系。您可能需要应用简单的“y = 1.0 - y”操作来纠正坐标。

剪辑空间

当开发人员面临对象比预期更早被剪切或消失的问题时，这通常与深度域的差异有关。 WebGL 和 WebGPU 之间的区别在于它们如何定义剪辑空间的深度范围。 WebGL 使用从 -1 到 1 的范围，而 WebGPU 使用从 0 到 1 的范围，类似于 Direct3D、Metal 和 Vulkan 等其他图形 API。做出此决定是由于使用 0 到 1 范围的多个优点，这些优点是在使用其他图形 API 时发现的。

将模型位置转换为剪辑空间的主要责任在于投影矩阵。调整代码的最简单方法是确保投影矩阵输出结果在 0 到 1 的范围内。对于使用 gl-matrix 等库的用户，有一个简单的解决方案：您可以使用透视ZO；类似的函数可用于其他矩阵运算。

if (webGPU) {
	// Creates a matrix for a symetric perspective-view frustum
  // using left-handed coordinates
  mat4.perspectiveZO(out, Math.PI / 4, ...);
} else {
  // Creates a matrix for a symetric perspective-view frustum
  // based on the default handedness and default near
  // and far clip planes definition.
  mat4.perspective(out, Math.PI / 4, …);
}

但是，有时你可能有一个现有的投影矩阵，并且无法更改其源。在这种情况下，要将其转换为 0 到 1 的范围，您可以将投影矩阵与另一个校正深度范围的矩阵预乘。

7、WebGPU 提示与技巧

现在，我们来讨论一些使用 WebGPU 的提示和技巧。

最大限度地减少你使用的管道数量。

使用的管道越多，状态切换就越多，性能就越差；这可能不是一件小事，具体取决于您的资产来自哪里。

提前创建管道

创建管道并立即使用它可能会起作用，但不建议这样做。相反，创建立即返回并开始在不同线程上工作的函数。当您使用管道时，执行队列需要等待待处理的管道创建完成。这可能会导致严重的性能问题。为了避免这种情况，请确保在创建管道和首次使用管道之间留出一些时间。

或者，更好的是，使用 create*PipelineAsync 变体！当管道准备好使用时，承诺就会解决，不会出现任何停顿。

device.createComputePipelineAsync({
 compute: {
   module: shaderModule,
   entryPoint: 'computeMain'
 }
}).then((pipeline) => {
  const commandEncoder = device.createCommandEncoder();
  const passEncoder = commandEncoder.beginComputePass();
  passEncoder.setPipeline(pipeline);
  passEncoder.setBindGroup(0, bindGroup);
  passEncoder.dispatchWorkgroups(128);
  passEncoder.end();
  device.queue.submit([commandEncoder.finish()]);
});

使用渲染包

渲染包是预先记录的、部分的、可重复使用的渲染通道。它们可以包含大多数渲染命令（除了设置视口之类的命令），并且可以在稍后作为实际渲染通道的一部分“重播”。

const renderPass = encoder.beginRenderPass(descriptor);

renderPass.setPipeline(renderPipeline);
renderPass.draw(3);

renderPass.executeBundles([renderBundle]);

renderPass.setPipeline(renderPipeline);
renderPass.draw(3);

renderPass.end();

渲染包可以与常规渲染通道命令一起执行。每次捆绑包执行之前和之后，渲染通道状态都会重置为默认值。这样做主要是为了减少绘图的 JavaScript 开销。无论采用何种方法，GPU 性能都保持不变。

8、结束语

过渡到 WebGPU 不仅仅意味着切换图形 API。这也是迈向 Web 图形未来的一步，结合了各种图形 API 的成功功能和实践。这种迁移需要对技术和理念变化有透彻的理解，但好处是显着的。

原文链接：Migrating from WebGL to WebGPU

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