برمجة WebGPU: رسومات عالية الأداء وتظليل الحساب

WebGPU هي واجهة برمجة تطبيقات رسوميات وحساب من الجيل التالي للويب، وهي مصممة لتوفير ميزات حديثة وأداء محسن مقارنة بسابقتها، WebGL. إنها تتيح للمطورين تسخير قوة وحدة معالجة الرسومات لكل من عرض الرسومات والحسابات للأغراض العامة، مما يفتح إمكانيات جديدة لتطبيقات الويب.

ما هي WebGPU؟

WebGPU هي أكثر من مجرد واجهة برمجة تطبيقات رسومية؛ إنها بوابة للحوسبة عالية الأداء داخل المتصفح. وهي تقدم العديد من المزايا الرئيسية:

• واجهة برمجة تطبيقات حديثة: مصممة لتتوافق مع بنيات وحدة معالجة الرسومات الحديثة والاستفادة من قدراتها.
• الأداء: توفر وصولاً منخفض المستوى إلى وحدة معالجة الرسومات، مما يتيح عرضًا محسّنًا وعمليات حسابية.
• عبر الأنظمة الأساسية: تعمل عبر أنظمة تشغيل ومتصفحات مختلفة، مما يوفر تجربة تطوير متسقة.
• تظليل الحساب: يتيح الحسابات للأغراض العامة على وحدة معالجة الرسومات، وتسريع مهام مثل معالجة الصور، ومحاكاة الفيزياء، والتعلم الآلي.
• WGSL (لغة تظليل WebGPU): لغة تظليل جديدة مصممة خصيصًا لـ WebGPU، وتوفر أمانًا ومعبرية محسّنة مقارنةً بـ GLSL.

WebGPU مقابل WebGL

في حين أن WebGL كانت المعيار لرسومات الويب لسنوات عديدة، إلا أنها تعتمد على مواصفات OpenGL ES الأقدم ويمكن أن تكون محدودة من حيث الأداء والميزات. تعالج WebGPU هذه القيود عن طريق:

• تحكم صريح: منح المطورين تحكمًا مباشرًا في موارد وحدة معالجة الرسومات وإدارة الذاكرة.
• عمليات غير متزامنة: السماح بالتنفيذ المتوازي وتقليل النفقات العامة لوحدة المعالجة المركزية.
• ميزات حديثة: دعم تقنيات العرض الحديثة مثل تظليل الحساب وتتبع الأشعة (عبر الامتدادات) وتنسيقات текстур المتقدمة.
• تقليل النفقات العامة للسائق: مصمم لتقليل النفقات العامة للسائق وتحسين الأداء العام.

البدء في استخدام WebGPU

لبدء البرمجة باستخدام WebGPU، ستحتاج إلى متصفح يدعم واجهة برمجة التطبيقات. لدى Chrome وFirefox وSafari (معاينة تكنولوجية) عمليات تنفيذ جزئية أو كاملة. فيما يلي مخطط أساسي للخطوات المتضمنة:

1. طلب محول: يمثل المحول وحدة معالجة رسومات فعلية أو تطبيق برمجي.
2. طلب جهاز: الجهاز هو تمثيل منطقي لوحدة معالجة الرسومات، ويستخدم لإنشاء موارد وتنفيذ أوامر.
3. إنشاء تظليل: التظليل هي برامج تعمل على وحدة معالجة الرسومات وتنفذ عمليات العرض أو الحساب. وهي مكتوبة بلغة WGSL.
4. إنشاء مخازن مؤقتة و текстуры: تخزن المخازن المؤقتة بيانات الرأس، والبيانات الموحدة، والبيانات الأخرى المستخدمة بواسطة التظليل. تخزن текстуры بيانات الصورة.
5. إنشاء خط عرض أو خط حساب: يحدد خط الأنابيب الخطوات المتضمنة في العرض أو الحساب، بما في ذلك التظليل المراد استخدامه، وتنسيق بيانات الإدخال والإخراج، والمعلمات الأخرى.
6. إنشاء ترميز أوامر: يسجل ترميز الأوامر الأوامر المراد تنفيذها بواسطة وحدة معالجة الرسومات.
7. إرسال الأوامر: يتم إرسال الأوامر إلى الجهاز للتنفيذ.

مثال: عرض المثلث الأساسي

فيما يلي مثال مبسط لكيفية عرض مثلث باستخدام WebGPU (باستخدام رمز زائف للإيجاز):

// 1. طلب المحول والجهاز
const adapter = await navigator.gpu.requestAdapter();
const device = await adapter.requestDevice();

// 2. إنشاء تظليل (WGSL)
const vertexShaderSource = `
  @vertex
  fn main(@location(0) pos: vec2f) -> @builtin(position) vec4f {
    return vec4f(pos, 0.0, 1.0);
  }
`;

const fragmentShaderSource = `
  @fragment
  fn main() -> @location(0) vec4f {
    return vec4f(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // لون أحمر
  }
`;

const vertexShaderModule = device.createShaderModule({ code: vertexShaderSource });
const fragmentShaderModule = device.createShaderModule({ code: fragmentShaderSource });

// 3. إنشاء مخزن مؤقت للرأس
const vertices = new Float32Array([
  0.0, 0.5,   // أعلى
  -0.5, -0.5, // أسفل اليسار
  0.5, -0.5   // أسفل اليمين
]);

const vertexBuffer = device.createBuffer({ 
  size: vertices.byteLength,
  usage: GPUBufferUsage.VERTEX | GPUBufferUsage.COPY_DST,
  mappedAtCreation: true // تم تعيينه في الإنشاء للكتابة الفورية
});
new Float32Array(vertexBuffer.getMappedRange()).set(vertices);
vertexBuffer.unmap();

// 4. إنشاء خط عرض
const renderPipeline = device.createRenderPipeline({
  vertex: {
    module: vertexShaderModule,
    entryPoint: "main",
    buffers: [{
      arrayStride: 8, // 2 * 4 بايت (float32)
      attributes: [{
        shaderLocation: 0, // @location(0)
        offset: 0,
        format: GPUVertexFormat.float32x2
      }]
    }]
  },
  fragment: {
    module: fragmentShaderModule,
    entryPoint: "main",
    targets: [{
      format: 'bgra8unorm' // مثال على التنسيق، يعتمد على اللوحة القماشية
    }]
  },
  primitive: {
    topology: 'triangle-list' // رسم المثلثات
  },
  layout: 'auto' // إنشاء تخطيط تلقائيًا
});

// 5. الحصول على سياق اللوحة القماشية
const canvas = document.getElementById('webgpu-canvas');
const context = canvas.getContext('webgpu');
context.configure({ device: device, format: 'bgra8unorm' }); // مثال على التنسيق

// 6. تمرير العرض
const render = () => {
  const commandEncoder = device.createCommandEncoder();
  const textureView = context.getCurrentTexture().createView();
  const renderPassDescriptor = {
    colorAttachments: [{
      view: textureView,
      clearValue: { r: 0.0, g: 0.0, b: 0.0, a: 1.0 }, // مسح إلى اللون الأسود
      loadOp: 'clear',
      storeOp: 'store'
    }]
  };

  const passEncoder = commandEncoder.beginRenderPass(renderPassDescriptor);
  passEncoder.setPipeline(renderPipeline);
  passEncoder.setVertexBuffer(0, vertexBuffer);
  passEncoder.draw(3, 1, 0, 0); // 3 رؤوس، 1 مثيل
  passEncoder.end();

  device.queue.submit([commandEncoder.finish()]);

  requestAnimationFrame(render);
};

render();

يوضح هذا المثال الخطوات الأساسية المتضمنة في عرض مثلث بسيط. ستتضمن التطبيقات الواقعية تظليلًا أكثر تعقيدًا وهياكل بيانات وتقنيات عرض. تنسيق `bgra8unorm` في المثال هو تنسيق شائع، ولكن من الضروري التأكد من مطابقته لتنسيق اللوحة القماشية للعرض الصحيح. قد تحتاج إلى تعديله بناءً على بيئتك المحددة.

تظليل الحساب في WebGPU

إحدى أقوى ميزات WebGPU هي دعمها لتظليل الحساب. تسمح لك تظليل الحساب بإجراء حسابات للأغراض العامة على وحدة معالجة الرسومات، مما قد يؤدي إلى تسريع المهام بشكل كبير والتي تناسب المعالجة المتوازية.

حالات استخدام تظليل الحساب

• معالجة الصور: تطبيق المرشحات وإجراء تعديلات الألوان وإنشاء текстуры.
• محاكاة الفيزياء: حساب حركات الجسيمات، ومحاكاة ديناميكيات السوائل، وحل المعادلات.
• التعلم الآلي: تدريب الشبكات العصبية وإجراء الاستدلال ومعالجة البيانات.
• معالجة البيانات: فرز وتصفية وتحويل مجموعات البيانات الكبيرة.

مثال: تظليل حساب بسيط (إضافة مصفوفتين)

يوضح هذا المثال تظليل حساب بسيط يضيف مصفوفتين معًا. افترض أننا نمرر مخزنين مؤقتين Float32Array كمدخلات ومخزن ثالث حيث سيتم تخزين النتائج.

// تظليل WGSL
const computeShaderSource = `
  @group(0) @binding(0) var a: array;
  @group(0) @binding(1) var b: array;
  @group(0) @binding(2) var output: array;

  @compute @workgroup_size(64) // حجم مجموعة العمل: ضروري للأداء
  fn main(@builtin(global_invocation_id) global_id: vec3u) {
    let i = global_id.x;
    output[i] = a[i] + b[i];
  }
`;

// رمز JavaScript
const arrayLength = 256; // يجب أن يكون مضاعفًا لحجم مجموعة العمل للتبسيط

// إنشاء مخازن مؤقتة للإدخال
const array1 = new Float32Array(arrayLength);
const array2 = new Float32Array(arrayLength);
const result = new Float32Array(arrayLength);

for (let i = 0; i < arrayLength; i++) {
  array1[i] = Math.random();
  array2[i] = Math.random();
}

const gpuBuffer1 = device.createBuffer({
  size: array1.byteLength,
  usage: GPUBufferUsage.STORAGE | GPUBufferUsage.COPY_DST,
  mappedAtCreation: true
});
new Float32Array(gpuBuffer1.getMappedRange()).set(array1);
gpuBuffer1.unmap();

const gpuBuffer2 = device.createBuffer({
  size: array2.byteLength,
  usage: GPUBufferUsage.STORAGE | GPUBufferUsage.COPY_DST,
  mappedAtCreation: true
});
new Float32Array(gpuBuffer2.getMappedRange()).set(array2);
gpuBuffer2.unmap();

const gpuBufferResult = device.createBuffer({
  size: result.byteLength,
  usage: GPUBufferUsage.STORAGE | GPUBufferUsage.COPY_SRC,
  mappedAtCreation: false
});


const computeShaderModule = device.createShaderModule({ code: computeShaderSource });

const computePipeline = device.createComputePipeline({
  layout: 'auto',
  compute: {
    module: computeShaderModule,
    entryPoint: "main"
  }
});

// إنشاء تخطيط لمجموعة الربط ومجموعة الربط (مهم لتمرير البيانات إلى التظليل)
const bindGroup = device.createBindGroup({
  layout: computePipeline.getBindGroupLayout(0), // هام: استخدم التخطيط من خط الأنابيب
  entries: [
    { binding: 0, resource: { buffer: gpuBuffer1 } },
    { binding: 1, resource: { buffer: gpuBuffer2 } },
    { binding: 2, resource: { buffer: gpuBufferResult } }
  ]
});

// إرسال تمرير الحساب
const commandEncoder = device.createCommandEncoder();
const passEncoder = commandEncoder.beginComputePass();
passEncoder.setPipeline(computePipeline);
passEncoder.setBindGroup(0, bindGroup);
passEncoder.dispatchWorkgroups(arrayLength / 64); // إرسال العمل
passEncoder.end();

// نسخ النتيجة إلى مخزن مؤقت قابل للقراءة
const readBuffer = device.createBuffer({
  size: result.byteLength,
  usage: GPUBufferUsage.COPY_DST | GPUBufferUsage.MAP_READ
});

commandEncoder.copyBufferToBuffer(gpuBufferResult, 0, readBuffer, 0, result.byteLength);

// إرسال الأوامر
device.queue.submit([commandEncoder.finish()]);

// قراءة النتيجة
await readBuffer.mapAsync(GPUMapMode.READ);
const resultArray = new Float32Array(readBuffer.getMappedRange());

console.log("Result: ", resultArray);

readBuffer.unmap();

في هذا المثال:

• نحدد تظليل حساب WGSL يضيف عناصر من مصفوفتين إدخال ويخزن النتيجة في مصفوفة إخراج.
• نقوم بإنشاء ثلاثة مخازن تخزين مؤقتة على وحدة معالجة الرسومات: اثنان لمصفوفات الإدخال وواحد للإخراج.
• نقوم بإنشاء خط أنابيب حساب يحدد تظليل الحساب ونقطة دخوله.
• نقوم بإنشاء مجموعة ربط تربط المخازن المؤقتة بمتغيرات الإدخال والإخراج الخاصة بالتظليل.
• نقوم بإرسال تظليل الحساب، وتحديد عدد مجموعات العمل المراد تنفيذها. يجب أن يتوافق `workgroup_size` في التظليل ومعلمات `dispatchWorkgroups` للتنفيذ الصحيح. إذا لم يكن `arrayLength` مضاعفًا لـ `workgroup_size` (64 في هذه الحالة)، فإن معالجة الحالات الطرفية مطلوبة في التظليل.
• يقوم المثال بنسخ المخزن المؤقت للنتيجة من وحدة معالجة الرسومات إلى وحدة المعالجة المركزية للفحص.

WGSL (لغة تظليل WebGPU)

WGSL هي لغة التظليل المصممة لـ WebGPU. إنها لغة حديثة وآمنة ومعبرة توفر العديد من المزايا مقارنة بـ GLSL (لغة التظليل المستخدمة بواسطة WebGL):

• السلامة: تم تصميم WGSL لتكون آمنة للذاكرة ومنع أخطاء التظليل الشائعة.
• المعبرية: تدعم WGSL مجموعة واسعة من أنواع البيانات والعمليات، مما يسمح بمنطق تظليل معقد.
• قابلية النقل: تم تصميم WGSL لتكون قابلة للنقل عبر بنيات وحدة معالجة الرسومات المختلفة.
• التكامل: تم دمج WGSL بإحكام مع واجهة برمجة تطبيقات WebGPU، مما يوفر تجربة تطوير سلسة.

الميزات الرئيسية لـ WGSL

• الكتابة القوية: WGSL هي لغة مكتوبة بقوة، مما يساعد على منع الأخطاء.
• إدارة الذاكرة الصريحة: تتطلب WGSL إدارة ذاكرة صريحة، مما يمنح المطورين مزيدًا من التحكم في موارد وحدة معالجة الرسومات.
• الوظائف المضمنة: توفر WGSL مجموعة غنية من الوظائف المضمنة لأداء الرسومات الشائعة وعمليات الحساب.
• هياكل البيانات المخصصة: تسمح WGSL للمطورين بتحديد هياكل بيانات مخصصة لتخزين البيانات ومعالجتها.

مثال: دالة WGSL

// دالة WGSL
fn lerp(a: f32, b: f32, t: f32) -> f32 {
  return a + t * (b - a);
}

اعتبارات الأداء

توفر WebGPU تحسينات كبيرة في الأداء مقارنة بـ WebGL، ولكن من المهم تحسين التعليمات البرمجية الخاصة بك للاستفادة الكاملة من قدراتها. فيما يلي بعض اعتبارات الأداء الرئيسية:

• تقليل الاتصال بين وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات: تقليل كمية البيانات المنقولة بين وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات. استخدم المخازن المؤقتة و текстуры لتخزين البيانات على وحدة معالجة الرسومات وتجنب التحديثات المتكررة.
• تحسين التظليل: كتابة تظليل فعال يقلل من عدد التعليمات والوصول إلى الذاكرة. استخدم أدوات التوصيف لتحديد الاختناقات.
• استخدام النسخ: استخدم النسخ لعرض نسخ متعددة من نفس الكائن بتحويلات مختلفة. يمكن أن يؤدي هذا إلى تقليل عدد استدعاءات الرسم بشكل كبير.
• استدعاءات الرسم المجمعة: تجميع استدعاءات رسم متعددة معًا لتقليل النفقات العامة لإرسال الأوامر إلى وحدة معالجة الرسومات.
• اختيار تنسيقات البيانات المناسبة: حدد تنسيقات البيانات الفعالة لوحدة معالجة الرسومات لمعالجتها. على سبيل المثال، استخدم أرقام الفاصلة العائمة بنصف الدقة (f16) متى أمكن ذلك.
• تحسين حجم مجموعة العمل: اختيار حجم مجموعة العمل الصحيح له تأثير كبير على أداء تظليل الحساب. اختر الأحجام التي تتماشى مع بنية وحدة معالجة الرسومات المستهدفة.

تطوير عبر الأنظمة الأساسية

تم تصميم WebGPU ليكون عبر الأنظمة الأساسية، ولكن هناك بعض الاختلافات بين المتصفحات وأنظمة التشغيل المختلفة. فيما يلي بعض النصائح للتطوير عبر الأنظمة الأساسية:

• الاختبار على متصفحات متعددة: اختبر تطبيقك على متصفحات مختلفة للتأكد من أنه يعمل بشكل صحيح.
• استخدام الكشف عن الميزات: استخدم الكشف عن الميزات للتحقق من توفر ميزات معينة وتكييف التعليمات البرمجية الخاصة بك وفقًا لذلك.
• التعامل مع حدود الجهاز: كن على دراية بحدود الجهاز التي تفرضها وحدات معالجة الرسومات والمتصفحات المختلفة. على سبيل المثال، قد يختلف الحد الأقصى لحجم текстуры.
• استخدام إطار عمل عبر الأنظمة الأساسية: ضع في اعتبارك استخدام إطار عمل عبر الأنظمة الأساسية مثل Babylon.js أو Three.js أو PixiJS، والذي يمكن أن يساعد في تجريد الاختلافات بين الأنظمة الأساسية المختلفة.

تصحيح أخطاء تطبيقات WebGPU

قد يكون تصحيح أخطاء تطبيقات WebGPU أمرًا صعبًا، ولكن هناك العديد من الأدوات والتقنيات التي يمكن أن تساعد:

• أدوات مطوري المتصفح: استخدم أدوات مطوري المتصفح لفحص موارد WebGPU، مثل المخازن المؤقتة و текстуры والتظليل.
• طبقات التحقق من WebGPU: قم بتمكين طبقات التحقق من WebGPU للقبض على الأخطاء الشائعة، مثل عمليات الوصول إلى الذاكرة خارج الحدود وبناء الجملة غير الصالح للتظليل.
• مصحات الرسومات: استخدم مصحح أخطاء رسومات مثل RenderDoc أو NSight Graphics للتنقل عبر التعليمات البرمجية الخاصة بك وفحص حالة وحدة معالجة الرسومات وتوصيف الأداء. غالبًا ما توفر هذه الأدوات رؤى تفصيلية حول تنفيذ التظليل واستخدام الذاكرة.
• تسجيل الدخول: أضف عبارات تسجيل إلى التعليمات البرمجية الخاصة بك لتتبع تدفق التنفيذ وقيم المتغيرات. ومع ذلك، يمكن أن يؤثر التسجيل المفرط على الأداء، خاصة في التظليل.

التقنيات المتقدمة

بمجرد أن يكون لديك فهم جيد لأساسيات WebGPU، يمكنك استكشاف تقنيات أكثر تقدمًا لإنشاء تطبيقات أكثر تطوراً.

• تداخل تظليل الحساب مع العرض: الجمع بين تظليل الحساب لمعالجة البيانات المسبقة أو إنشاء текстуры مع خطوط الأنابيب التقليدية للعرض للتصور.
• تتبع الأشعة (عبر الامتدادات): استخدام تتبع الأشعة لإنشاء إضاءة وانعكاسات واقعية. يتم عادةً عرض إمكانات تتبع الأشعة في WebGPU من خلال امتدادات المتصفح.
• تظليل الهندسة: استخدام تظليل الهندسة لإنشاء هندسة جديدة على وحدة معالجة الرسومات.
• تظليل التسطيح: استخدام تظليل التسطيح لتقسيم الأسطح وإنشاء هندسة أكثر تفصيلاً.

تطبيقات WebGPU الواقعية

يتم بالفعل استخدام WebGPU في مجموعة متنوعة من التطبيقات الواقعية، بما في ذلك:

• الألعاب: إنشاء ألعاب ثلاثية الأبعاد عالية الأداء تعمل في المتصفح.
• تصور البيانات: تصور مجموعات البيانات الكبيرة في بيئات ثلاثية الأبعاد تفاعلية.
• المحاكاة العلمية: محاكاة الظواهر الفيزيائية المعقدة، مثل ديناميكيات السوائل والنماذج المناخية.
• التعلم الآلي: تدريب نماذج التعلم الآلي ونشرها في المتصفح.
• CAD/CAM: تطوير تطبيقات التصميم والتصنيع بمساعدة الكمبيوتر.

على سبيل المثال، ضع في اعتبارك تطبيق نظام المعلومات الجغرافية (GIS). باستخدام WebGPU، يمكن لنظام المعلومات الجغرافية عرض نماذج تضاريس ثلاثية الأبعاد معقدة بدقة عالية، ودمج تحديثات البيانات في الوقت الفعلي من مصادر مختلفة. يعد هذا مفيدًا بشكل خاص في التخطيط الحضري وإدارة الكوارث والرصد البيئي، مما يسمح للمتخصصين في جميع أنحاء العالم بالتعاون في تصورات غنية بالبيانات بغض النظر عن إمكانات أجهزتهم.

مستقبل WebGPU

لا تزال WebGPU تقنية جديدة نسبيًا، ولكن لديها القدرة على إحداث ثورة في رسومات وحوسبة الويب. مع نضوج واجهة برمجة التطبيقات واعتماد المزيد من المتصفحات لها، يمكننا أن نتوقع ظهور المزيد من التطبيقات المبتكرة.

قد تتضمن التطورات المستقبلية في WebGPU ما يلي:

• أداء محسن: ستؤدي التحسينات المستمرة لواجهة برمجة التطبيقات وعمليات التنفيذ الأساسية إلى تحسين الأداء بشكل أكبر.
• ميزات جديدة: ستتم إضافة ميزات جديدة، مثل تتبع الأشعة وتظليل الشبكة، إلى واجهة برمجة التطبيقات.
• اعتماد أوسع: سيؤدي الاعتماد الأوسع لـ WebGPU من قبل المتصفحات والمطورين إلى نظام بيئي أكبر من الأدوات والموارد.
• التوحيد القياسي: ستضمن جهود التوحيد القياسي المستمرة بقاء WebGPU واجهة برمجة تطبيقات متسقة وقابلة للنقل.

خاتمة

WebGPU هي واجهة برمجة تطبيقات جديدة قوية تطلق العنان للإمكانات الكاملة لوحدة معالجة الرسومات لتطبيقات الويب. من خلال توفير ميزات حديثة وأداء محسن ودعم لتظليل الحساب، تتيح WebGPU للمطورين إنشاء رسومات مذهلة وتسريع مجموعة واسعة من المهام كثيفة الحساب. سواء كنت تقوم ببناء ألعاب أو تصورات بيانات أو محاكاة علمية، فإن WebGPU هي تقنية يجب عليك بالتأكيد استكشافها.

يجب أن تبدأك هذه المقدمة، ولكن التعلم المستمر والتجريب هما المفتاح لإتقان WebGPU. ابق على اطلاع دائم بأحدث المواصفات والأمثلة ومناقشات المجتمع لتسخير قوة هذه التقنية المثيرة بالكامل. يتطور معيار WebGPU بسرعة، لذا كن مستعدًا لتكييف التعليمات البرمجية الخاصة بك مع تقديم ميزات جديدة وظهور أفضل الممارسات.