WebGPU Programiranje: Visoko zmogljiva grafika in računalniški senčilniki

WebGPU je naslednja generacija grafičnega in računalniškega API-ja za splet, zasnovan za zagotavljanje sodobnih funkcij in izboljšane zmogljivosti v primerjavi s svojim predhodnikom, WebGL. Razvijalcem omogoča, da izkoristijo moč grafične kartice (GPU) za grafično upodabljanje in splošno računalništvo, kar odpira nove možnosti za spletne aplikacije.

Kaj je WebGPU?

WebGPU je več kot le grafični API; je prehod do visoko zmogljivega računalništva znotraj brskalnika. Ponuja več ključnih prednosti:

• Sodobni API: Zasnovan tako, da se ujema s sodobnimi arhitekturami grafičnih kartic in izkorišča njihove zmogljivosti.
• Zmogljivost: Zagotavlja dostop do grafične kartice na nižji ravni, kar omogoča optimizirano upodabljanje in računske operacije.
• Medplatformska združljivost: Deluje v različnih operacijskih sistemih in brskalnikih, kar zagotavlja dosledno razvojno izkušnjo.
• Računalniški senčilniki: Omogoča splošno računalništvo na grafični kartici, kar pospešuje naloge, kot so obdelava slik, fizikalne simulacije in strojno učenje.
• WGSL (WebGPU Shading Language): Nov jezik za senčenje, zasnovan posebej za WebGPU, ki ponuja izboljšano varnost in izraznost v primerjavi z GLSL.

WebGPU proti WebGL

Medtem ko je bil WebGL standard za spletno grafiko že vrsto let, temelji na starejših specifikacijah OpenGL ES in je lahko omejujoč glede zmogljivosti in funkcij. WebGPU odpravlja te omejitve z:

• Eksplicitnim nadzorom: Razvijalcem omogoča bolj neposreden nadzor nad viri grafične kartice in upravljanjem pomnilnika.
• Asinhrone operacije: Omogoča vzporedno izvajanje in zmanjšuje obremenitev CPE (CPU).
• Sodobne funkcije: Podpira sodobne tehnike upodabljanja, kot so računalniški senčilniki, sledenje žarkom (prek razširitev) in napredni formati tekstur.
• Zmanjšana obremenitev gonilnika: Zasnovan je tako, da zmanjša obremenitev gonilnika in izboljša splošno zmogljivost.

Začetek z WebGPU

Za začetek programiranja z WebGPU potrebujete brskalnik, ki podpira API. Chrome, Firefox in Safari (Technology Preview) imajo delne ali popolne implementacije. Tukaj je osnovni oris vključenih korakov:

1. Zahtevajte adapter: Adapter predstavlja fizično grafično kartico ali implementacijo programske opreme.
2. Zahtevajte napravo: Naprava je logična predstavitev grafične kartice, ki se uporablja za ustvarjanje virov in izvajanje ukazov.
3. Ustvarite senčilnike: Senčilniki so programi, ki se izvajajo na grafični kartici in izvajajo upodabljanje ali računske operacije. Napisani so v WGSL.
4. Ustvarite pomnilnike (Buffer) in teksture: Pomnilniki shranjujejo podatke o ogliščih, enotne podatke in druge podatke, ki jih uporabljajo senčilniki. Teksture shranjujejo podatke o slikah.
5. Ustvarite cevovod za upodabljanje ali računalniški cevovod: Cevovod določa korake, ki so vključeni v upodabljanje ali izračun, vključno s senčilniki, ki jih je treba uporabiti, formatom vhodnih in izhodnih podatkov ter drugimi parametri.
6. Ustvarite kodirnik ukazov: Kodirnik ukazov beleži ukaze, ki jih bo izvedla grafična kartica.
7. Pošljite ukaze: Ukazi so poslani napravi za izvedbo.

Primer: Osnovno upodabljanje trikotnika

Tukaj je poenostavljen primer, kako upodobiti trikotnik z uporabo WebGPU (z uporabo psevdo-kode za jedrnatost):

// 1. Zahtevajte adapter in napravo
const adapter = await navigator.gpu.requestAdapter();
const device = await adapter.requestDevice();

// 2. Ustvarite senčilnike (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); // Rdeča barva
  }
`;

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

// 3. Ustvarite pomnilnik za oglišča (Vertex Buffer)
const vertices = new Float32Array([
  0.0, 0.5,   // Vrh
  -0.5, -0.5, // Spodaj levo
  0.5, -0.5   // Spodaj desno
]);

const vertexBuffer = device.createBuffer({ 
  size: vertices.byteLength,
  usage: GPUBufferUsage.VERTEX | GPUBufferUsage.COPY_DST,
  mappedAtCreation: true // Preslikano ob ustvarjanju za takojšen zapis
});
new Float32Array(vertexBuffer.getMappedRange()).set(vertices);
vertexBuffer.unmap();

// 4. Ustvarite cevovod za upodabljanje
const renderPipeline = device.createRenderPipeline({
  vertex: {
    module: vertexShaderModule,
    entryPoint: "main",
    buffers: [{
      arrayStride: 8, // 2 * 4 bajtov (float32)
      attributes: [{
        shaderLocation: 0, // @location(0)
        offset: 0,
        format: GPUVertexFormat.float32x2
      }]
    }]
  },
  fragment: {
    module: fragmentShaderModule,
    entryPoint: "main",
    targets: [{
      format: 'bgra8unorm' // Primer formata, odvisno od platna
    }]
  },
  primitive: {
    topology: 'triangle-list' // Nariši trikotnike
  },
  layout: 'auto' // Samodejno ustvari postavitev
});

// 5. Pridobite kontekst platna
const canvas = document.getElementById('webgpu-canvas');
const context = canvas.getContext('webgpu');
context.configure({ device: device, format: 'bgra8unorm' }); // Primer formata

// 6. Prehod za upodabljanje
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 }, // Počisti na črno
      loadOp: 'clear',
      storeOp: 'store'
    }]
  };

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

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

  requestAnimationFrame(render);
};

render();

Ta primer prikazuje temeljne korake, ki so vključeni v upodabljanje preprostega trikotnika. Aplikacije v resničnem svetu bodo vključevale bolj zapletene senčilnike, podatkovne strukture in tehnike upodabljanja. Format `bgra8unorm` v primeru je pogost format, vendar je ključnega pomena, da se ujema z formatom vašega platna za pravilno upodabljanje. Morda ga boste morali prilagoditi glede na vaše specifično okolje.

Računalniški senčilniki v WebGPU

Ena najmočnejših funkcij WebGPU je podpora za računalniške senčilnike. Računalniški senčilniki vam omogočajo izvajanje splošnih izračunov na grafični kartici, kar lahko znatno pospeši naloge, ki so primerne za vzporedno obdelavo.

Primeri uporabe računalniških senčilnikov

• Obdelava slik: Uporaba filtrov, izvajanje barvnih prilagoditev in ustvarjanje tekstur.
• Fizikalne simulacije: Izračunavanje gibanja delcev, simuliranje dinamike tekočin in reševanje enačb.
• Strojno učenje: Usposabljanje nevronskih mrež, izvajanje sklepanja in obdelava podatkov.
• Obdelava podatkov: Razvrščanje, filtriranje in preoblikovanje velikih naborov podatkov.

Primer: Preprost računalniški senčilnik (seštevanje dveh polj)

Ta primer prikazuje preprost računalniški senčilnik, ki sešteje dve polji skupaj. Predpostavimo, da posredujemo dva pomnilnika Float32Array kot vhod in tretjega, kamor bodo shranjeni rezultati.

// WGSL Senčilnik
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) // Velikost delovne skupine: ključnega pomena za zmogljivost
  fn main(@builtin(global_invocation_id) global_id: vec3u) {
    let i = global_id.x;
    output[i] = a[i] + b[i];
  }
`;

// JavaScript koda
const arrayLength = 256; // Za preprostost mora biti večkratnik velikosti delovne skupine

// Ustvarite vhodne pomnilnike
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"
  }
});

// Ustvarite postavitev skupine vezi in skupino vezi (pomembno za posredovanje podatkov senčilniku)
const bindGroup = device.createBindGroup({
  layout: computePipeline.getBindGroupLayout(0), // Pomembno: uporabite postavitev iz cevovoda
  entries: [
    { binding: 0, resource: { buffer: gpuBuffer1 } },
    { binding: 1, resource: { buffer: gpuBuffer2 } },
    { binding: 2, resource: { buffer: gpuBufferResult } }
  ]
});

// Pošljite računalniški prehod
const commandEncoder = device.createCommandEncoder();
const passEncoder = commandEncoder.beginComputePass();
passEncoder.setPipeline(computePipeline);
passEncoder.setBindGroup(0, bindGroup);
passEncoder.dispatchWorkgroups(arrayLength / 64); // Pošljite delo
passEncoder.end();

// Kopirajte rezultat v berljiv pomnilnik
const readBuffer = device.createBuffer({
  size: result.byteLength,
  usage: GPUBufferUsage.COPY_DST | GPUBufferUsage.MAP_READ
});

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

// Pošljite ukaze
device.queue.submit([commandEncoder.finish()]);

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

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

readBuffer.unmap();

V tem primeru:

• Določimo senčilnik WGSL compute, ki sešteje elemente dveh vhodnih polj in shrani rezultat v izhodno polje.
• Ustvarimo tri pomnilnike za shranjevanje na grafični kartici: dva za vhodna polja in enega za izhod.
• Ustvarimo računalniški cevovod, ki določa računalniški senčilnik in njegovo vstopno točko.
• Ustvarimo skupino vezi, ki poveže pomnilnike z vhodnimi in izhodnimi spremenljivkami senčilnika.
• Pošljemo računalniški senčilnik, ki določa število delovnih skupin za izvedbo. `workgroup_size` v senčilniku in parametri `dispatchWorkgroups` se morajo ujemati za pravilno izvedbo. Če `arrayLength` ni večkratnik `workgroup_size` (v tem primeru 64), je v senčilniku potrebno obravnavati robne primere.
• Primer kopira rezultatni pomnilnik iz grafične kartice na CPE za pregled.

WGSL (WebGPU Shading Language)

WGSL je jezik za senčenje, zasnovan za WebGPU. Je sodoben, varen in izrazit jezik, ki ponuja več prednosti pred GLSL (jezik za senčenje, ki ga uporablja WebGL):

• Varnost: WGSL je zasnovan tako, da je pomnilniško varen in preprečuje pogoste napake senčilnikov.
• Izraznost: WGSL podpira široko paleto podatkovnih tipov in operacij, kar omogoča zapleteno logiko senčilnikov.
• Prenosljivost: WGSL je zasnovan tako, da je prenosljiv med različnimi arhitekturami grafičnih kartic.
• Integracija: WGSL je tesno integriran z API-jem WebGPU, kar zagotavlja brezhibno razvojno izkušnjo.

Ključne značilnosti WGSL

• Močna tipiziranost: WGSL je močno tipiziran jezik, ki pomaga preprečevati napake.
• Eksplicitno upravljanje pomnilnika: WGSL zahteva eksplicitno upravljanje pomnilnika, kar razvijalcem daje več nadzora nad viri grafične kartice.
• Vgrajene funkcije: WGSL ponuja bogat nabor vgrajenih funkcij za izvajanje pogostih grafičnih in računskih operacij.
• Strukture podatkov po meri: WGSL omogoča razvijalcem, da definirajo strukture podatkov po meri za shranjevanje in manipulacijo podatkov.

Primer: WGSL funkcija

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

Premisleki glede zmogljivosti

WebGPU zagotavlja znatne izboljšave zmogljivosti v primerjavi z WebGL, vendar je pomembno optimizirati kodo, da v celoti izkoristite njene zmogljivosti. Tukaj je nekaj ključnih premislekov glede zmogljivosti:

• Zmanjšajte komunikacijo CPE-GPU: Zmanjšajte količino podatkov, ki se prenašajo med CPE in GPU. Uporabite pomnilnike in teksture za shranjevanje podatkov na GPU in se izogibajte pogostim posodobitvam.
• Optimizirajte senčilnike: Napišite učinkovite senčilnike, ki zmanjšajo število navodil in dostopov do pomnilnika. Uporabite orodja za profiliranje, da prepoznate ozka grla.
• Uporabite instanciranje: Uporabite instanciranje za upodabljanje več kopij istega predmeta z različnimi transformacijami. To lahko znatno zmanjša število klicev za risanje.
• Združite klice za risanje: Združite več klicev za risanje skupaj, da zmanjšate obremenitev pošiljanja ukazov na GPU.
• Izberite ustrezne formate podatkov: Izberite formate podatkov, ki jih GPU učinkovito obdeluje. Na primer, kadar je to mogoče, uporabite polovično natančne števila s plavajočo vejico (f16).
• Optimizacija velikosti delovne skupine: Pravilna izbira velikosti delovne skupine ima drastičen vpliv na zmogljivost Compute Shaderja. Izberite velikosti, ki so usklajene s ciljno arhitekturo GPU.

Medplatformski razvoj

WebGPU je zasnovan tako, da je medplatformski, vendar obstajajo nekatere razlike med različnimi brskalniki in operacijskimi sistemi. Tukaj je nekaj nasvetov za medplatformski razvoj:

• Testirajte v več brskalnikih: Testirajte svojo aplikacijo v različnih brskalnikih, da zagotovite pravilno delovanje.
• Uporabite zaznavanje funkcij: Uporabite zaznavanje funkcij, da preverite razpoložljivost določenih funkcij in ustrezno prilagodite svojo kodo.
• Obravnavajte omejitve naprave: Zavedajte se omejitev naprave, ki jih nalagajo različne grafične kartice in brskalniki. Na primer, največja velikost teksture se lahko razlikuje.
• Uporabite medplatformski okvir: Razmislite o uporabi medplatformskega okvira, kot je Babylon.js, Three.js ali PixiJS, ki lahko pomaga abstrahirati razlike med različnimi platformami.

Iskanje napak v aplikacijah WebGPU

Iskanje napak v aplikacijah WebGPU je lahko zahtevno, vendar obstaja več orodij in tehnik, ki vam lahko pomagajo:

• Orodja za razvijalce brskalnika: Uporabite orodja za razvijalce brskalnika, da preverite vire WebGPU, kot so pomnilniki, teksture in senčilniki.
• Validacijski sloji WebGPU: Omogočite validacijske sloje WebGPU, da ujamete pogoste napake, kot so dostopi do pomnilnika izven meja in neveljavna sintaksa senčilnika.
• Grafični razhroščevalniki: Uporabite grafični razhroščevalnik, kot je RenderDoc ali NSight Graphics, da se sprehodite po kodi, preverite stanje GPU in profilirate zmogljivost. Ta orodja pogosto zagotavljajo podrobne vpoglede v izvajanje senčilnika in uporabo pomnilnika.
• Beleženje: Dodajte izjave za beleženje v svojo kodo, da sledite poteku izvajanja in vrednostim spremenljivk. Vendar lahko prekomerno beleženje vpliva na zmogljivost, zlasti v senčilnikih.

Napredne tehnike

Ko dobro razumete osnove WebGPU, lahko raziščete bolj napredne tehnike za ustvarjanje še bolj zapletenih aplikacij.

• Interop računalniškega senčilnika z upodabljanjem: Kombiniranje računalniških senčilnikov za predhodno obdelavo podatkov ali ustvarjanje tekstur s tradicionalnimi cevovodi za upodabljanje za vizualizacijo.
• Sledenje žarkom (prek razširitev): Uporaba sledenja žarkom za ustvarjanje realistične osvetlitve in odbojev. Zmožnosti sledenja žarkom WebGPU so običajno izpostavljene prek razširitev brskalnika.
• Senčilniki geometrije: Uporaba senčilnikov geometrije za ustvarjanje nove geometrije na GPU.
• Senčilniki teselacije: Uporaba senčilnikov teselacije za razdelitev površin in ustvarjanje podrobnejše geometrije.

Aplikacije WebGPU v resničnem svetu

WebGPU se že uporablja v različnih aplikacijah v resničnem svetu, vključno z:

• Igre: Ustvarjanje visoko zmogljivih 3D iger, ki se izvajajo v brskalniku.
• Vizualizacija podatkov: Vizualizacija velikih naborov podatkov v interaktivnih 3D okoljih.
• Znanstvene simulacije: Simulacija kompleksnih fizikalnih pojavov, kot so dinamika tekočin in podnebni modeli.
• Strojno učenje: Usposabljanje in uvajanje modelov strojnega učenja v brskalniku.
• CAD/CAM: Razvoj aplikacij za računalniško podprto načrtovanje in proizvodnjo.

Na primer, razmislite o aplikaciji geografskega informacijskega sistema (GIS). Z uporabo WebGPU lahko GIS upodablja kompleksne 3D modele terena z visoko ločljivostjo, ki vključuje posodobitve podatkov v realnem času iz različnih virov. To je še posebej uporabno pri urbanističnem načrtovanju, obvladovanju nesreč in spremljanju okolja, saj omogoča strokovnjakom po vsem svetu sodelovanje pri vizualizacijah, bogatih s podatki, ne glede na njihove strojne zmogljivosti.

Prihodnost WebGPU

WebGPU je še vedno razmeroma nova tehnologija, vendar ima potencial, da revolucionarno spremeni spletno grafiko in računalništvo. Ko bo API dozorel in ga bo sprejelo več brskalnikov, lahko pričakujemo, da se bo pojavilo še več inovativnih aplikacij.

Prihodnji razvoj v WebGPU lahko vključuje:

• Izboljšana zmogljivost: Stalna optimizacija API-ja in osnovnih implementacij bo dodatno izboljšala zmogljivost.
• Nove funkcije: API-ju bodo dodane nove funkcije, kot so sledenje žarkom in senčilniki mrež.
• Širša uporaba: Širša uporaba WebGPU s strani brskalnikov in razvijalcev bo privedla do večjega ekosistema orodij in virov.
• Standardizacija: Nadaljnja prizadevanja za standardizacijo bodo zagotovila, da bo WebGPU ostal dosleden in prenosljiv API.

Zaključek

WebGPU je zmogljiv nov API, ki odklene celoten potencial grafične kartice za spletne aplikacije. Z zagotavljanjem sodobnih funkcij, izboljšane zmogljivosti in podpore za računalniške senčilnike WebGPU razvijalcem omogoča ustvarjanje osupljive grafike in pospešitev širokega nabora računalniško intenzivnih nalog. Ne glede na to, ali ustvarjate igre, vizualizacije podatkov ali znanstvene simulacije, je WebGPU tehnologija, ki jo vsekakor morate raziskati.

Ta uvod bi vam moral pomagati pri začetku, vendar sta nenehno učenje in eksperimentiranje ključna za obvladovanje WebGPU. Bodite na tekočem z najnovejšimi specifikacijami, primeri in razpravami skupnosti, da v celoti izkoristite moč te vznemirljive tehnologije. Standard WebGPU se hitro razvija, zato bodite pripravljeni prilagoditi svojo kodo, ko bodo uvedene nove funkcije in se bodo pojavile najboljše prakse.