探索WebGPU: 下一代Web图形API

WebGPU 是 WebAssembly 标准的一部分，是一种新的Web图形API，目的是为Web开发者提供一种现代化、高性能的图形处理API，能够更好地利用现代GPU的性能。本文将深入探讨WebGPU，包括什么是WebGPU、WebGPU的特性、WebGPU如何工作、WebGPU的使用及其代码示例。

一、什么是WebGPU

WebGPU是一种WebGraphical Processing Unit(图形处理单元) API，是下一代浏览器图形API，可以更好地支持WebVR和WebAR等新技术应用。WebGPU是一种低级别、现代化的、跨平台的、并行化的API，能够更好地利用跨平台的并行架构和现代化硬件，提供更高的性能。

二、WebGPU的特性

WebGPU的特性主要包括：

1. 低级别API

你可以手动控制GPU，直接操作图形硬件。

2. 并行化

WebGPU使用现代GPU的并行化能力，提高了性能。

3. 跨平台

WebGPU支持多平台，包括Mac OS、Windows、Android、iOS等。

4. 类似于Vulkan和Metal的API

WebGPU基于WebAssembly，与其他高性能图形API很相似，例如Vulkan和Metal。

三、WebGPU如何工作

WebGPU基于WebAssembly运行，也就是说，主要是C或C++语言编写的，实现了更高的性能。WebGPU基于安全的Web环境，不允许访问系统层级的API，所以需要一个与平台间的接口，可以通过WebSocket、WebRTC和XHR等提供。

WebGPU API提供了两个主要的对象：数据对象和操作对象，例如buffer、texture、sampler、shader等等。您可以使用这些对象创建和配置您的GPU工作流。操作对象可以配置管道状态、绘制命令、计算命令、取样等等。

WebGPU管道实现了三个阶段：输入、中间、输出。每个阶段都使用不同的shader。

四、WebGPU的使用

使用WebGPU需要遵循以下基本步骤：

1. 初始化WebGPU

要使用WebGPU，首先需要初始化WebGPU。以下示例演示了如何初始化WebGPU，并创建显卡适配器、设备和命令编码器。

async function initWebGPU() {

    // 获取canvas
    const canvas = document.querySelector('#canvas');

    // 获取适配器
    const adapter = await navigator.gpu.requestAdapter();

    // 获取设备
    const device = await adapter.requestDevice();

    // 获取命令编码器
    const commandEncoder = device.createCommandEncoder();
}

2. 创建资源

WebGPU需要资源，包括渲染目标(例如canvas)、着色器、输入数据等等。以下示例演示了如何创建渲染目标和着色器。

function createResources() {

    //获取canvas的webgl上下文
    const gl = canvas.getContext('webgl', webglContextOption);

    //创建渲染目标
    const swapChainDescriptor = {
        usage: GPUTextureUsage.RENDER_ATTACHMENT,
        format: 'bgra8unorm',
        width: gl.canvas.width,
        height: gl.canvas.height
    };
    const swapChain = device.createSwapChain(gl, swapChainDescriptor);

   //创建一个着色器，参数为顶点和片元着色器代码
   const shaderModule = device.createShaderModule({code: {"VERTEX":vertexShader, "FRAGMENT":fregmentShader}});
}

3. 绘制命令和计算命令

绘制命令和计算命令是WebGPU处理图形的核心。以下示例演示了如何创建和使用绘制命令。

function draw() {

    // 开始绘制
    const renderPassDescriptor = {
        colorAttachments: [{
            view: swapChain.getCurrentTextureView(),
            loadValue: [0, 0, 0, 1]
        }]
    };
    const renderPass = commandEncoder.beginRenderPass(renderPassDescriptor);
  
    // 设置渲染状态管道
    const pipeline = device.createRenderPipeline({...});

    //设置顶点和索引buffer
    const vertexBuffer = device.createBuffer({...});
    const indexBuffer = device.createBuffer({...});

    // 绑定buffer
    renderPass.setVertexBuffer(0, vertexBuffer);
    renderPass.setIndexBuffer(indexBuffer);

    // 绘制图形
    renderPass.drawIndexed(...);

    // 结束绘制
    commandEncoder.endRenderPass();
    device.queue.submit([commandEncoder.finish()]);
}

五、结论

WebGPU是下一代Web图形API，具有诸多性能优良的特性，能够更好地利用现代GPU的性能。WebGPU的使用方式与现有的高性能图形API类似，但更贴近Web环境。相信WebGPU将会开启全新的Web图形应用程序的时代。