WebGPU 是一种现代化的图形和计算 API，旨在为 Web 提供高性能的图形渲染和计算能力。它是 WebGL 的继任者，解决了 WebGL 的一些局限性，并引入了许多现代 GPU 的特性。本文将从 WebGPU 的历史发展、使用场景、使用方式、兼容性、流行类库、需要掌握的知识以及未来发展方向等方面进行全面介绍。
一、WebGPU 的历史发展✨
WebGPU 的开发始于 2017 年，由 W3C 的 GPU for the Web 社区组推动。其目标是为 Web 提供一个现代化的 GPU 接口，能够充分利用现代 GPU 的性能，同时保持跨平台的兼容性。
WebGL 的局限性：WebGL 基于 OpenGL ES，虽然在过去十年中推动了 Web 图形的发展，但其设计已经显得过时，无法充分利用现代 GPU 的特性。现代 GPU 的需求：随着 Vulkan、DirectX 12 和 Metal 等现代图形 API 的出现，开发者需要更低级别的控制和更高的性能。WebGPU 的诞生：WebGPU 借鉴了这些现代 API 的设计，提供了更高效的资源管理、更灵活的渲染管线和更强大的计算能力。
目前，WebGPU 已在 Chrome、Edge 和 Firefox 的实验性版本中支持，并逐步向稳定版本推进。
WebGPU 与 WebGL 的区别
WebGPU 和 WebGL 是两种不同的图形 API，它们在设计目标、性能和功能上有显著差异：
设计目标：
WebGL：基于 OpenGL ES，主要用于 2D 和 3D 图形渲染，适合简单的图形应用。WebGPU：借鉴了 Vulkan、DirectX 12 和 Metal 的设计，提供了更现代化的 GPU 接口，支持更复杂的图形和计算任务。 性能：
WebGL：由于其较高的抽象层，性能受限，尤其是在处理复杂场景时。WebGPU：提供更低级别的控制，允许开发者更高效地管理 GPU 资源，从而实现更高的性能。 功能：
WebGL：主要专注于图形渲染，缺乏对通用计算任务的支持。WebGPU：不仅支持图形渲染，还支持通用计算任务（如机器学习和数据处理）。 着色语言：
WebGL：使用 GLSL（OpenGL 着色语言）。WebGPU：使用 WGSL（WebGPU 着色语言），更贴近现代 GPU 的设计。 兼容性：
WebGL：已被广泛支持，适用于几乎所有现代浏览器。WebGPU：目前仍处于早期阶段，支持的浏览器和平台有限，但正在快速发展。 生态系统：
WebGL：拥有成熟的生态系统和大量的类库（如 Three.js）。WebGPU：生态系统尚在发展中，但已有一些类库（如 Babylon.js 和 wgpu）开始支持。
总结来说，WebGPU 是 WebGL 的继任者，旨在解决 WebGL 的局限性，为开发者提供更强大的功能和更高的性能。
二、WebGPU 的使用场景🎦
WebGPU 的设计目标是为 Web 提供高性能的图形和计算能力，因此它的使用场景非常广泛：
高性能 3D 渲染：
游戏开发：WebGPU 提供了更高的性能和更低的延迟，非常适合开发高质量的 Web 游戏。建模和可视化：用于 3D 建模工具和科学数据可视化。 机器学习和计算任务：
WebGPU 支持通用计算任务（类似于 CUDA 和 OpenCL），可以用于机器学习模型的训练和推理。数据处理：如大规模矩阵运算和图像处理。 增强现实 (AR) 和虚拟现实 (VR)：
WebGPU 的高性能特性使其成为 WebXR 的理想选择。 视频处理和特效：
实时视频特效和后期处理。
三、WebGPU 的使用方式🏃🏻♂️➡️
使用 WebGPU 需要掌握其核心概念和 API。以下是一个简单的示例代码，展示如何使用 WebGPU 绘制一个三角形。
示例代码：绘制一个三角形
// 检查 WebGPU 支持
if (!navigator.gpu) {
console.error("WebGPU 不被支持");
throw new Error("WebGPU is not supported");
}
// 获取 GPU 适配器和设备
const adapter = await navigator.gpu.requestAdapter();
const device = await adapter.requestDevice();
// 创建 Canvas 和上下文
const canvas = document.querySelector("canvas");
const context = canvas.getContext("webgpu");
// 配置 Canvas
const format = navigator.gpu.getPreferredCanvasFormat();
context.configure({
device,
format,
});
// 定义顶点着色器和片段着色器
const vertexShaderCode = `
@vertex
fn main(@builtin(vertex_index) VertexIndex : u32) -> @builtin(position) vec4
var positions = array
vec2
vec2
vec2
);
return vec4
}
`;
const fragmentShaderCode = `
@fragment
fn main() -> @location(0) vec4
return vec4
}
`;
// 创建着色器模块
const vertexShaderModule = device.createShaderModule({ code: vertexShaderCode });
const fragmentShaderModule = device.createShaderModule({ code: fragmentShaderCode });
// 创建渲染管线
const pipeline = device.createRenderPipeline({
vertex: {
module: vertexShaderModule,
entryPoint: "main",
},
fragment: {
module: fragmentShaderModule,
entryPoint: "main",
targets: [{ format }],
},
primitive: {
topology: "triangle-list",
},
});
// 创建命令编码器和渲染通道
const commandEncoder = device.createCommandEncoder();
const textureView = context.getCurrentTexture().createView();
const renderPass = commandEncoder.beginRenderPass({
colorAttachments: [
{
view: textureView,
clearValue: { r: 0, g: 0, b: 0, a: 1 },
loadOp: "clear",
storeOp: "store",
},
],
});
// 设置管线并绘制
renderPass.setPipeline(pipeline);
renderPass.draw(3);
renderPass.endPass();
// 提交命令
device.queue.submit([commandEncoder.finish()]);
四、WebGPU 的兼容性🔌
WebGPU 的兼容性目前仍在发展中：
浏览器支持：
Chrome 和 Edge：支持 WebGPU 的实验性功能。Firefox：部分支持。Safari：正在开发中。 平台支持：
Windows：基于 DirectX 12。macOS 和 iOS：基于 Metal。Linux：基于 Vulkan。
开发者可以通过 Polyfill（如 wgpu）在不支持 WebGPU 的环境中运行代码。
五、流行类库和工具🔨
以下是一些与 WebGPU 相关的流行类库和工具：
wgpu：
一个跨平台的 WebGPU 实现，支持多种后端（Vulkan、Metal、DirectX 等）。适用于 Rust 开发者。 Babylon.js：
一个流行的 3D 引擎，已支持 WebGPU。 Three.js：
虽然主要基于 WebGL，但正在探索对 WebGPU 的支持。 TensorFlow.js：
计划利用 WebGPU 提供更高效的计算能力。
六、需要掌握的知识
为了更好地使用 WebGPU，开发者需要掌握以下知识：
图形编程基础：
了解渲染管线的基本概念（顶点着色器、片段着色器等）。熟悉 GPU 的工作原理。 现代图形 API：
学习 Vulkan、DirectX 12 或 Metal 的基本概念。 WGSL（WebGPU 着色语言）：
WebGPU 使用 WGSL 编写着色器，开发者需要学习这门语言。 性能优化：
了解如何高效地管理 GPU 资源。
七、WebGPU 的未来发展方向
WebGPU 的未来充满潜力：
更广泛的浏览器支持：
随着标准的成熟，所有主流浏览器都将支持 WebGPU。 与 WebXR 的集成：
WebGPU 将成为 AR 和 VR 应用的核心技术。 机器学习的普及：
WebGPU 将推动 Web 上机器学习的普及。 生态系统的完善：
更多的类库和工具将涌现，降低开发门槛。
总结
WebGPU 是 Web 图形和计算领域的一次革命，它为开发者提供了前所未有的性能和灵活性。虽然目前仍处于早期阶段，但其潜力巨大。 →🐒