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WebGPU学习（八）：学习“texturedCube”示例

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大家好，本文学习Chrome->webgpu-samplers->texturedCube示例。

上一篇博文：
WebGPU学习（七）：学习“twoCubes”和“instancedCube”示例

学习texturedCube.ts

最终渲染结果：

该示例绘制了有一个纹理的立方体。

与“rotatingCube”示例相比，该示例增加了下面的步骤：

  • 传输顶点的uv数据
  • 增加了sampler和sampled-texture类型的uniform数据

下面，我们打开texturedCube.ts文件，依次分析增加的步骤：

传递顶点的uv数据

  • shader加入uv attribute

代码如下：

  const vertexShaderGLSL = `#version 450
  ...
  layout(location = 0) in vec4 position;
  layout(location = 1) in vec2 uv;

  layout(location = 0) out vec2 fragUV;
  layout(location = 1) out vec4 fragPosition;

  void main() {
    fragPosition = 0.5 * (position + vec4(1.0));
    ...
    fragUV = uv;
  }
  `;
  
  const fragmentShaderGLSL = `#version 450
  layout(set = 0, binding = 1) uniform sampler mySampler;
  layout(set = 0, binding = 2) uniform texture2D myTexture;

  layout(location = 0) in vec2 fragUV;
  layout(location = 1) in vec4 fragPosition;
  layout(location = 0) out vec4 outColor;

  void main() {
    outColor =  texture(sampler2D(myTexture, mySampler), fragUV) * fragPosition;
  }
  `;

vertex shader传入了uv attribute数据，并将其传递给fragUV，从而传到fragment shader，作为纹理采样坐标

另外，这里可以顺便说明下：fragPosition用来实现与position相关的颜色渐变效果

  • uv数据包含在verticesBuffer的cubeVertexArray中

cubeVertexArray的代码如下：

cube.ts:
export const cubeUVOffset = 4 * 8;
export const cubeVertexArray = new Float32Array([
    // float4 position, float4 color, float2 uv,
    1, -1, 1, 1,   1, 0, 1, 1,  1, 1,
    -1, -1, 1, 1,  0, 0, 1, 1,  0, 1,
    -1, -1, -1, 1, 0, 0, 0, 1,  0, 0,
    1, -1, -1, 1,  1, 0, 0, 1,  1, 0,
    1, -1, 1, 1,   1, 0, 1, 1,  1, 1,
    -1, -1, -1, 1, 0, 0, 0, 1,  0, 0,

    ...
]);

创建和设置verticesBuffer的相关代码如下：

texturedCube.ts:
  const verticesBuffer = device.createBuffer({
    size: cubeVertexArray.byteLength,
    usage: GPUBufferUsage.VERTEX | GPUBufferUsage.COPY_DST
  });
  verticesBuffer.setSubData(0, cubeVertexArray);
  
  ...
  
  return function frame() {
    ...
    passEncoder.setVertexBuffer(0, verticesBuffer);
    ...
  }
  • 创建render pipeline时指定uv attribute的相关数据

代码如下：

  const pipeline = device.createRenderPipeline({
    ...
    vertexState: {
      vertexBuffers: [{
        ...
        attributes: [
        ...
        {
          // uv
          shaderLocation: 1,
          offset: cubeUVOffset,
          format: "float2"
        }]
      }],
    },
    ...
  });

增加了sampler和sampled-texture类型的uniform数据

WebGPU相对于WebGL1，提出了sampler，可以对它设置filter、wrap等参数，从而实现了texture和sampler自由组合，同一个texture能够以不同filter、wrap来采样

  • fragment shader传入这两个uniform数据，用于纹理采样

代码如下：

  const fragmentShaderGLSL = `#version 450
  layout(set = 0, binding = 1) uniform sampler mySampler;
  layout(set = 0, binding = 2) uniform texture2D myTexture;

  layout(location = 0) in vec2 fragUV;
  layout(location = 1) in vec4 fragPosition;
  layout(location = 0) out vec4 outColor;

  void main() {
    outColor =  texture(sampler2D(myTexture, mySampler), fragUV) * fragPosition;
  }
  `;
  • 创建bind group layout时指定它们在shader中的binding位置等参数

代码如下：

  const bindGroupLayout = device.createBindGroupLayout({
    bindings: [
    ...
    {
      // Sampler
      binding: 1,
      visibility: GPUShaderStage.FRAGMENT,
      type: "sampler"
    }, {
      // Texture view
      binding: 2,
      visibility: GPUShaderStage.FRAGMENT,
      type: "sampled-texture"
    }]
  });
  • 拷贝图片到texture，返回texture

代码如下，后面会进一步研究：

  const cubeTexture = await createTextureFromImage(device, 'assets/img/Di-3d.png', GPUTextureUsage.SAMPLED);
  • 创建sampler，指定filter

代码如下：

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

我们看一下相关定义：

GPUSampler createSampler(optional GPUSamplerDescriptor descriptor = {});

...

dictionary GPUSamplerDescriptor : GPUObjectDescriptorBase {
    GPUAddressMode addressModeU = "clamp-to-edge";
    GPUAddressMode addressModeV = "clamp-to-edge";
    GPUAddressMode addressModeW = "clamp-to-edge";
    GPUFilterMode magFilter = "nearest";
    GPUFilterMode minFilter = "nearest";
    GPUFilterMode mipmapFilter = "nearest";
    float lodMinClamp = 0;
    float lodMaxClamp = 0xffffffff;
    GPUCompareFunction compare = "never";
};

GPUSamplerDescriptor的addressMode指定了texture在u、v、w方向的wrap mode（u、v方向的wrap相当于WebGL1的wrapS、wrapT）（w方向是给3d texture用的）

mipmapFilter与mipmap有关，lodXXX与texture lod有关，compare与软阴影的Percentage Closer Filtering技术有关，我们不讨论它们

  • 创建uniform bind group时传入sampler和texture的view
  const uniformBindGroup = device.createBindGroup({
    layout: bindGroupLayout,
    bindings: [
    ...
    {
      binding: 1,
      resource: sampler,
    }, {
      binding: 2,
      resource: cubeTexture.createView(),
    }],
  });

参考资料

Sampler Object

详细分析“拷贝图片到texture”步骤

相关代码如下：

  const cubeTexture = await createTextureFromImage(device, 'assets/img/Di-3d.png', GPUTextureUsage.SAMPLED);

该步骤可以分解为两步：
1.解码图片
2.拷贝解码后的类型为HTMLImageElement的图片到GPU的texture中

下面依次分析：

解码图片

打开helper.ts文件，查看createTextureFromImage对应代码：

  const img = document.createElement('img');
  img.src = src;
  await img.decode();

这里使用decode api来解码图片，也可以使用img.onload来实现：

  const img = document.createElement('img');
  img.src = src;
  img.onload = (img) => {
    ...
  };

根据Pre-Loading and Pre-Decoding Images with Javascript for Better Performance的说法，图片的加载过程有两个步骤：
1.从服务器加载图片
2.解码图片

第1步都是在其它线程上并行执行；
如果用onload，则浏览器会在主线程上同步执行第2步，会阻塞主线程；
如果用decode api，则浏览器会在其它线程上并行执行第2步，不会阻塞主线程。

chrome和firefox浏览器都支持decode api，因此加载图片应该优先使用该API：

参考资料

Pre-Loading and Pre-Decoding Images with Javascript for Better Performance
Chrome 图片解码与 Image.decode API

拷贝图片

WebGL1直接使用texImage2D将图片上传到GPU texture中，而WebGPU能让我们更加灵活地控制上传过程。

WebGPU有两种方法上传：

  • 创建图片对应的imageBitmap，将其拷贝到GPU texture中

该方法要用到copyImageBitmapToTexture函数。虽然WebGPU规范已经定义了该函数，但目前Chrome Canary不支持它，所以暂时不能用该方法上传。

参考资料
Proposal for copyImageBitmapToTexture
ImageBitmapToTexture design

  • 将图片绘制到canvas中，通过getImageData获得数据->将其设置到buffer中->把buffer数据拷贝到GPU texture中

我们来看下createTextureFromImage对应代码：

  const imageCanvas = document.createElement('canvas');
  imageCanvas.width = img.width;
  imageCanvas.height = img.height;

  const imageCanvasContext = imageCanvas.getContext('2d');
  
  //flipY
  imageCanvasContext.translate(0, img.height);
  imageCanvasContext.scale(1, -1);
  
  imageCanvasContext.drawImage(img, 0, 0, img.width, img.height);
  const imageData = imageCanvasContext.getImageData(0, 0, img.width, img.height);

这里创建canvas->绘制图片->获得图片数据。
（注：在绘制图片时将图片在Y方向反转了）

接着看代码：

  let data = null;

  const rowPitch = Math.ceil(img.width * 4 / 256) * 256;
  if (rowPitch == img.width * 4) {
    data = imageData.data;
  } else {
    data = new Uint8Array(rowPitch * img.height);
    for (let y = 0; y < img.height; ++y) {
      for (let x = 0; x < img.width; ++x) {
        let i = x * 4 + y * rowPitch;
        data[i] = imageData.data[i];
        data[i + 1] = imageData.data[i + 1];
        data[i + 2] = imageData.data[i + 2];
        data[i + 3] = imageData.data[i + 3];
      }
    }
  }

  const texture = device.createTexture({
    size: {
      width: img.width,
      height: img.height,
      depth: 1,
    },
    format: "rgba8unorm",
    usage: GPUTextureUsage.COPY_DST | usage,
  });

  const textureDataBuffer = device.createBuffer({
    size: data.byteLength,
    usage: GPUBufferUsage.COPY_DST | GPUBufferUsage.COPY_SRC,
  });

  textureDataBuffer.setSubData(0, data);

rowPitch需要为256的倍数（也就是说，图片的宽度需要为64px的倍数），这是因为Dx12对此做了限制（参考Copies investigation）：

RowPitch must be aligned to D3D12_TEXTURE_DATA_PITCH_ALIGNMENT.
Offset must be aligned to D3D12_TEXTURE_DATA_PLACEMENT_ALIGNMENT, which is 512.

另外，关于纹理尺寸，可以参考WebGPU-6：

第一个问题是关于纹理尺寸的，回答是WebGPU没有对尺寸有特别明确的要求。sample code中最多不能比4kor8k大就行。这个也不是太难理解，OpenGL对纹理和FBO的尺寸总是有上限的。

根据我的测试，buffer（代码中的textureDataBuffer）中的图片数据需要为未压缩的图片数据（它的类型为Uint8Array，length=img.width * img.height * 4（因为每个像素有r、g、b、a这4个值）），否则会报错（在我的测试中，“通过canvas->toDataURL得到图片的base64->将其转为Uint8Array，得到压缩后的图片数据->将其设置到buffer中”会报错）

继续看代码：

  const commandEncoder = device.createCommandEncoder({});
  commandEncoder.copyBufferToTexture({
    buffer: textureDataBuffer,
    rowPitch: rowPitch,
    imageHeight: 0,
  }, {
    texture: texture,
  }, {
    width: img.width,
    height: img.height,
    depth: 1,
  });

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

  return texture;

这里提交了copyBufferToTexture这个command到GPU，并返回texture
（注：这个command此时并没有执行，会由GPU决定什么时候执行）

WebGPU支持buffer与buffer、buffer与texture、texture与texture之间互相拷贝。

参考资料
3 channel formats
Copies investigation (+ proposals)

参考资料

WebGPU规范
webgpu-samplers Github Repo
WebGPU-6

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