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关于gpu:WebGPU-补充篇之-Uniform

jiezi

系列博客总目录：https://segmentfault.com/a/1190000040716735

参考自

WebGPU 8. Resource Binding（资源绑定）

WGSL 5.1. Module Scope Variables（全局对象）

WGSL 9.3.2. Resource interface（资源接口）

WebGPU 中的 Uniform

接口预览：

  • GPUBindGroup
  • GPUBindGroupLayout
  • GPUBuffer
  • GPUBufferUsage
  • GPUSampler
  • GPUTexture

WebGPU 中，uniform 资源的传递是通过 UBO 实现的，会用到 GPUBindGroup、GPUBindGroupLaayout 来治理一组绑在一块的资源，正如 GPUBindGroup 的形容一样所说：

A GPUBindGroup defines a set of resources to be bound together in a group and how the resources are used in shader stages.

GPUBindGroup 治理了一组绑在一块的资源，并决定了在着色器阶段如何应用。

这里所谓的资源，有如下几种：

  • 一般常量数字、类型数组
  • 纹理
  • 采样器

1 如何创立 Uniform 资源

① 一般常量数字 / 类型数组 

const uniformBuffer = device.createBuffer({
  size: 16,
  usage: GPUBufferUsage.UNIFORM | GPUBufferUsage.COPY_DST
})

// ---- 写入
const color = new Float32Array([0, .5, 0, 1])
device.queue.writeBuffer(
  uniformBuffer, // 传给谁
  0, 
  color.buffer, // 传递 ArrayBuffer
  color.byteOffset, // 从哪里开始
  color.byteLength // 取多长
)

② 纹理对象 GPUTexture

const texture = device.createTexture({size: [256, 256],
  format: "rgba8unorm", // 8 bit RGBA, un normal
  usage: GPUTextureUsage.SAMPLED | GPUTextureUsage.COPY_DST
})

将图片数据写入纹理另开一坑写，在这里提一下，是 GPUQueue.prototype.copyImageBitmapToTexture 办法

③ 采样器 GPUSampler

const sampler = device.createSampler({
  minFilter: "linear",
  magFilter: "linear"
})

2 绑定组的作用和创立 

const uniformBindGroup = device.createBindGroup({
  layout: bindGroupLayout, // 须要绑定组对应的 layout 对象
  entries: [/* ... */]
})

绑定组的资源入口：entries 数组

类型是 GPUBindGroupEntry[]

它的 WebIDL 定义如下：

typedef (GPUSampler or GPUTextureView or GPUBufferBinding or GPUExternalTexture) GPUBindingResource;

dictionary GPUBindGroupEntry {
  required GPUIndex32 binding;
  required GPUBindingResource resource;
};

dictionary GPUBufferBinding {
  required GPUBuffer buffer;
  GPUSize64 offset = 0;
  GPUSize64 size;
};

一个 GPUBindGroupEntry 示意了绑定组中的单个被绑定的资源，容许是 GPUSampler、GPUTextureView、GPUBufferBinding 和 GPUExternalTexture，前三个即采样器、纹理对象、UBO（常量数字 / 类型数组）。

例如：

const uniformBindGroup = device.createBindGroup({layout: pipeline.getBindGroupLayout(0), // <- 指定绑定组的布局对象，当前开文章说
  entries: [
    {
      binding: 0,
      resource: sampler, // <- 传入采样器对象
    },
    {
      binding: 1,
      resource: texture.createView() // <- 传入纹理对象的视图},
    {
      binding: 2,
      resource: {buffer: uniformBuffer // <- 传入 UBO}
    }
  ]
})

通过打组，能够很不便地将某种条件下的一组 uniform 资源别离传入着色器进行 WebGPU 渲染编程。

GPUBindGroup 的最大作用，就是隔离不相干的 uniform，把相干的资源摆在一块。

3 绑定组的布局对象

绑定组只是形容 JavaScript 环境中数据如何打组，WebGPU 渲染管线、WGSL 并不知道布局对象如何应用它。这个时候就须要布局对象 GPUBindGroupLayout 出马了。

A GPUBindGroupLayout defines the interface between a set of resources bound in a GPUBindGroup and their accessibility in shader stages.

依然是靠设施对象创立：

const bindGroupLayout = device.createBindGroupLayout({
  entries: [/* ... */]
})

它与 GPUBindGroup 相似，也须要一个 entries 数组，类型是 GPUBindGroupLayoutEntry[]：

dictionary GPUBindGroupLayoutEntry {
  required GPUIndex32 binding;
  required GPUShaderStageFlags visibility;

  GPUBufferBindingLayout buffer;
  GPUSamplerBindingLayout sampler;
  GPUTextureBindingLayout texture;
  GPUStorageTextureBindingLayout storageTexture;
  GPUExternalTextureBindingLayout externalTexture;
};

// 下面 visibility 属性是 GPUShaderStage 类型的，指明某个绑定组的 entry 在哪个着色器阶段可见：typedef [EnforceRange] unsigned long GPUShaderStageFlags;
[Exposed=(Window, DedicatedWorker)]
interface GPUShaderStage {
  const GPUFlagsConstant VERTEX   = 0x1; // 顶点着色器阶段
  const GPUFlagsConstant FRAGMENT = 0x2; // 片元着色器阶段
  const GPUFlagsConstant COMPUTE  = 0x4; // 计算着色器阶段
};

例如：

const bindGroupLayout = device.createBindGroupLayout({
  entries: [
    {
      binding: 0, // <- 绑定在 0 号资源
      visibility: GPUShaderStage.FRAGMENT,
      sampler: {type: 'filtering'}
    },
    {
      binding: 1, // <- 绑定在 1 号资源
      visibility: GPUShaderStage.FRAGMENT,
      texture: {sampleType: 'float'}
    },
    
    {
      binding: 2,
      visibility: GPUShaderStage.FRAGMENT,
      buffer: {type: 'uniform'}
    }
  ]
})

每一个 entry Descriptor 除了 binding、visibility 属性外，剩下 5 个可选属性是五选一，指定以后 binding 资源对应的具体信息。例如此处第 2 个 entry，被指定为 buffer，即 UBO，它的 type 是 uniform。

布局对象的两种用处

  • 与绑定组对象配套应用
  • 为管线与绑定组起连贯桥梁的作用 
   GPUBindGroup <----------------------┐
                              GPUBindGroupLayout
GPUPipelineBase <----------...---------┘

绑定组与其布局对象的连贯

绑定组有一个 layout 属性，能够间接传递 GPUBindGroupLayout 对象，也能够从 GPUPipelineBase 中应用 getBindGroupLayout 办法获取。

例如：

const uniformBindGroup = device.createBindGroup({
  layout: bindGroupLayout,
  entries: [/* ... */]
})

布局对象与渲染管线的连贯

须要借助 GPUPipelineLayout 来起作用 

GPUBindGroupLayout <----------------------┐
                                GPUPipelineLayout
GPUPipelineBase    <----------------------┘

例如：

const pipelineLayout = device.createPipelineLayout({bindGroupLayouts: [bindGroupLayout]
})
const renderingPipeline = device.createRenderPipeline({layout: pipelineLayout})

4 通道编码器 GPUPassEncoder 中如何设置

这部分曾经到了渲染管制局部，和数据布局、传递应离开，属于 Renderer 设计的领域。

① 设置 pipeline

passEncoder.setPipeline(pipeline)

② 设置绑定组 

passEncoder.setBindGroup(0, uniformBindGroup)

③ 设置其余（VBO 等）

passEncoder.setVertexBuffer(0, vbo)

最初绘制并完结一个通道 

passEncoder.draw(3, 1, 0, 0)
passEncoder.endPass()

5 在着色器代码中如何取得绑定组的资源

WGSL 仍在更新，可能这部分会生效，我会尽力更新。

① UBO

须要借助构造体。

// —— 片元着色器 ——

// -> 申明一个构造体类型
[[block]] struct Uniforms {uniform_color: vec4<f32>;};
// -> 单方括号语法，指定其绑定 ID 是 0，绑定组序号是 0
[[binding(2), group(0)]] var<uniform> uniforms: Uniforms;

// —— 而后这个 uniforms 变量就能够在函数中调用了 ——

② 采样器 

[[binding(0), group(0)]] var mySampler: sampler;

③ 纹理 

[[binding(1), group(0)]] var myTexture: texture_2d<f32>;
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