WebGL 与 WebGPU比对[4] - Uniform
作者：互联网
众所周知，在 GPU 跑可编程管线的时候，着色器是并行运行的，每个着色器入口函数都会在 GPU 中并行执行。每个着色器对一大片统一格式的数据进行冲锋，体现 GPU 多核心的优势，可以小核同时处理数据；不过，有的数据对每个着色器都是一样的，这种数据的类型是“uniform”，也叫做统一值。
这篇文章罗列了原生 WebGL 1/2 中的 uniform 资料，以及 WebGPU 中的 uniform 资料，有一些例子供参考，以用来比对它们之间的差异。
1. WebGL 1.0 Uniform
1.1. 用 WebGLUniformLocation 寻址
在 WebGL 1.0 中，通常是在 JavaScript 端保存 WebGLUniformLocation 以向着色器程序传递 uniform 值的。
使用 gl.getUniformLocation() 方法获取这个 location，有如下几种方式
- 全名：
gl.getUniformLocation(program, 'u_someUniformVar') - 分量：通常是向量的一部分，譬如
gl.getUniformLocation(program, 'u_someVec3[0]')是获取第 0 个元素（元素类型是 vec3）的 location - 结构体成员：
gl.getUniformLocation(program, 'u_someStruct.someMember')
上面三种情况与之对应的着色器代码：
// 全名
uniform float u_someUniformVar;
// 分量
uniform vec3 u_someVec3[3]; // 注意，这里是 3 个 vec3
// 结构体成员
struct SomeStruct {
bool someMember;
};
uniform SomeStruct u_someStruct;
传值分三类，标量/向量、矩阵、采样纹理，见下文。
1.2. 矩阵赋值用 uniformMatrix[234]fv
对于矩阵，使用 gl.uniformMatrix[234]fv() 方法即可传递，其中，f 代表 float，v 代表 vector，即传入参数要是一个向量（即数组）；
以传递一个 4×4 的矩阵为例：
// 获取 location（初始化时）
const matrixLocation = gl.getUniformLocation(program, "u_matrix")
// 创建或更新列主序变换矩阵（渲染时）
const matrix = [/* ... */]
// 传递值（渲染时）
gl.uniformMatrix4fv(matrixLocation, false, matrix)
1.3. 标量与向量用 uniform[1234][fi][v]
对于普通标量和向量，使用 gl.uniform[1234][fi][v]() 方法即可传递，其中，1、2、3、4 代表标量或向量的维度（1就是标量啦），f/i 代表 float 或 int，v 代表 vector（即你传递的数据在着色器中将解析为向量数组）。
举例：
- 语句1，
gl.uniform1fv(someFloatLocation, [4.5, 7.1]) - 语句2，
gl.uniform4i(someIVec4Location, 5, 2, 1, 3) - 语句3，
gl.uniform4iv(someIVec4Location, [5, 2, 1, 3, 2, 12, 0, 6]) - 语句4，
gl.uniform3f (someVec3Location, 7.1, -0.8, 2.1)
上述 4 个赋值语句对应的着色器中的代码为：
// 语句 1 可以适配 1~N 个浮点数
// 只传单元素数组时，可直接声明 uniform float u_someFloat;
uniform float u_someFloat[2];
// 语句 2 适配一个 ivec4
uniform ivec4 u_someIVec4;
// 语句 3 适配 1~N 个 ivec4
// 只传单元素数组时，可直接声明 uniform float u_someIVec4;
uniform ivec4 u_someIVec4[2];
// 语句 4 适配一个 vec3
uniform vec3 u_someVec3;
到了 WebGL 2.0，在组分值类型会有一些扩充，请读者自行查阅相关文档。
1.4. 传递纹理
在顶点着色器阶段，可以使用顶点的纹理坐标对纹理进行采样：
attribute vec3 a_pos;
attribute vec2 a_uv;
uniform sampler2D u_texture;
varying vec4 v_color;
void main() {
v_color = texture2D(u_texture, a_uv);
gl_Position = a_pos; // 假设顶点不需要变换
}
那么，在 JavaScript 端，可以使用 gl.uniform1i() 来告诉着色器我把纹理刚刚传递到哪个纹理坑位上了：
const texture = gl.createTexture()
const samplerLocation = gl.getUniformLocation(/* ... */)
// ... 设置纹理数据 ...
gl.activeTexture(gl[`TEXTURE${5}`]) // 告诉 WebGL 使用第 5 个坑上的纹理
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture)
gl.uniform1i(samplerLocation, 5) // 告诉着色器待会读纹理的时候去第 5 个坑位读
2. WebGL 2.0 Uniform
2.1. 标量/向量/矩阵传值方法扩充
WebGL 2.0 的 Uniform 系统对非方阵类型的矩阵提供了支持，例如
const mat2x3 = [
1, 2, 3,
4, 5, 6,
]
gl.uniformMatrix2x3fv(loc, false, mat2x3)
上述方法传递的是 4×3 的矩阵。
而对于单值和向量，额外提供了无符号数值的方法，即由 uniform[1234][fi][v] 变成了 uniform[1234][f/ui][v]，也就是下面 8 个新增方法：
gl.uniform1ui(/* ... */) // 传递数据至 1 个 uint
gl.uniform2ui(/* ... */) // 传递数据至 1 个 uvec2
gl.uniform3ui(/* ... */) // 传递数据至 1 个 uvec3
gl.uniform4ui(/* ... */) // 传递数据至 1 个 uvec4
gl.uniform1uiv(/* ... */) // 传递数据至 uint 数组
gl.uniform2uiv(/* ... */) // 传递数据至 uvec2 数组
gl.uniform3uiv(/* ... */) // 传递数据至 uvec3 数组
gl.uniform4uiv(/* ... */) // 传递数据至 uvec4 数组
对应 GLSL300 中的 uniform 为：
#version 300 es
#define N ? // N 取决于你的需要，JavaScript 传递的数量也要匹配
uniform uint u_someUint;
uniform uvec2 u_someUVec2;
uniform uvec3 u_someUVec3;
uniform uvec4 u_someUVec4;
uniform uint u_someUintArr[N];
uniform uvec2 u_someUVec2Arr[N];
uniform uvec3 u_someUVec3Arr[N];
uniform uvec4 u_someUVec4Arr[N];
需要额外注意的是，uint/uvec234 这些类型在高版本的 glsl 才能使用，也就是说不向下兼容 WebGL 1.0 及 GLSL100.
然而，WebGL 2.0 带来的不单单只是这些小修小补，最重要的莫过于 UBO 了，马上开始。
2.1. 什么是 UniformBlock 与 UniformBuffer 的创建
在 WebGL 1.0 的时候，任意种类的统一值一次只能设定一个，如果一帧内 uniform 有较多更新，对于 WebGL 这个状态机来说不是什么好事，会带来额外的 CPU 至 GPU 端的传递开销。
在 WebGL 2.0，允许一次发送一堆 uniform，这一堆 uniform 的聚合体，就叫做 UniformBuffer，具体到代码中：
先是 GLSL 300
uniform Light {
highp vec3 lightWorldPos;
mediump vec4 lightColor;
};
然后是 JavaScript
const lightUniformBlockBuffer = gl.createBuffer()
const lightUniformBlockData = new Float32Array([
0, 10, 30, 0, // vec3, 光源位置, 为了 8 Byte 对齐填充一个尾 0
1, 1, 1, 1, // vec4, 光的颜色
])
gl.bindBuffer(gl.UNIFORM_BUFFER, lightUniformBlockBuffer);
gl.bufferData(gl.UNIFORM_BUFFER, lightUniformBlockData, gl.STATIC_DRAW);
gl.bindBufferBase(gl.UNIFORM_BUFFER, 0, lightUniformBlockBuffer)
先别急着问为什么，一步一步来。
首先你看到了，在 GLSL300 中允许使用类似结构体一样的块状语法声明多个 Uniform 变量，这里用到了光源的坐标和光源的颜色，分别使用了不同的精度和数据类型（vec3、vec4）。
随后，在 JavaScript 端，你看到了用新增的方法 gl.bindBufferBase() 来绑定一个 WebGLBuffer 到 0 号位置，这个 lightUniformBlockBuffer 其实就是集合了两个 Uniform 变量的 UniformBufferObject (UBO)，在着色器中那块被命名为 Light 的花括号区域，则叫 UniformBlock.
其实，创建一个 UBO 和创建普通的 VBO 是一样的，绑定、赋值操作也几乎一致（第一个参数有不同）。只不过 UBO 可能更需要考虑数值上的设计，例如 8 字节对齐等，通常会在设计着色器的时候把相同数据类型的 uniform 变量放在一起，达到内存使用上的最佳化。
2.2. 状态绑定
在 WebGL 2.0 中，JavaScript 端允许你把着色器程序中的 UniformBlock 位置绑定到某个变量中：
const viewUniformBufferIndex = 0;
const materialUniformBufferIndex = 1;
const modelUniformBufferIndex = 2;
const lightUniformBufferIndex = 3;
gl.uniformBlockBinding(prg, gl.getUniformBlockIndex(prg, 'View'), viewUniformBufferIndex);
gl.uniformBlockBinding(prg, gl.getUniformBlockIndex(prg, 'Model'), modelUniformBufferIndex);
gl.uniformBlockBinding(prg, gl.getUniformBlockIndex(prg, 'Material'), materialUniformBufferIndex);
gl.uniformBlockBinding(prg, gl.getUniformBlockIndex(prg, 'Light'), lightUniformBufferIndex);
这里，使用的是 gl.getUniformBlockIndex() 获取 UniformBlock 在着色器程序中的位置，而把这个位置绑定到你喜欢的数字上的是 gl.uniformBlockBinding() 方法。
这样做有个好处，你可以在你的程序里人为地规定各个 UniformBlock 的顺序，然后用这些 index 来更新不同的 UBO.
// 使用不同的 UBO 更新 materialUniformBufferIndex (=1) 指向的 UniformBlock
gl.bindBufferBase(gl.UNIFORM_BUFFER, 1, redMaterialUBO)
gl.bindBufferBase(gl.UNIFORM_BUFFER, 1, greenMaterialUBO)
gl.bindBufferBase(gl.UNIFORM_BUFFER, 1, blueMaterialUBO)
当然，WebGL 2.0 对 Uniform 还有别的扩充，此处不再列举。
bindBufferBase 的作用类似于 enableVertexAttribArray，告诉 WebGL 我马上就要用哪个坑了。
2.3. 着色器中的 Uniform
着色器使用 GLSL300 语法才能使用 UniformBlock 和 新的数据类型，除此之外和 GLSL100 没啥区别。当然，GLSL300 有很多新语法，这里只捡一些关于 Uniform 的来写。
关于 uint/uvec234 类型，在 2.1 节已经有例子了，这里不赘述。
而关于 UniformBlock，还有一点需要补充的，那就是“命名”问题。
UniformBlock 的语法如下：
uniform <BlockType> {
<BlockBody>
} ?<blockName>;
// 举例：具名定义
uniform Model {
mat4 world;
mat4 worldInverseTranspose;
} model;
// 举例：不具名定义
uniform Light {
highp vec3 lightWorldPos;
mediump vec4 lightColor;
};
如果使用具名定义，那么访问 Block 内的成员就需要使用它的 name 了，例如 model.world、model.worldInverseTranspose 等。
举完整的例子如下：
#version 300 es
precision highp float;
precision highp int;
// uniform 块的布局控制
layout(std140, column_major) uniform;
// 声明 uniform 块：Transform，命名为 transform 供主程序使用
// 也可以不命名，就直接用 mvpMatrix 即可
uniform Transform
{
mat4 mvpMatrix;
} transform;
layout(location = 0) in vec2 pos;
void main() {
gl_Position = transform.mvpMatrix * vec4(pos, 0.0, 1.0);
}
注意，即使给 UniformBlock 命名为 transform，但是立面的 mvpMatrix 是不能与其它 Block 里面的成员共名的，transform 没有命名空间的作用。
再看 JavaScript：
//#region 获取着色器程序中的 uniform 位置并绑定
const uniformTransformLocation = gl.getUniformBlockIndex(program, 'Transform')
gl.uniformBlockBinding(program, uniformTransformLocation, 0)
//endregion
//#region 创建 ubo
const uniformTransformBuffer = gl.createBuffer()
//#endregion
//#region 创建矩阵所需的 ArrayBufferView，列主序
const transformsMatrix = new Float32Array([
1.0, 0.0, 0.0, 0.0,
0.0, 1.0, 0.0, 0.0,
0.0, 0.0, 1.0, 0.0,
0.0, 0.0, 0.0, 1.0
])
//#endregion
//#region 传递数据给 WebGLBuffer
gl.bindBuffer(gl.UNIFORM_BUFFER, uniformTransformBuffer)
gl.bufferData(gl.UNIFORM_BUFFER, transformsMatrix, gl.DYNAMIC_DRAW);
gl.bindBuffer(gl.UNIFORM_BUFFER, null)
//#endregion
// ---------- 在你需要绘制时 ----------
//#region 绑定 ubo 到 0 号索引上的 uniformLocation 以供着色器使用
gl.bindBufferBase(gl.UNIFORM_BUFFER, 0, uniformTransformBuffer)
// ... 渲染
// -------------
2.4. 传递纹理
纹理与 WebGL 1.0 一致，但是 GLSL300 的纹理函数有变，读者请自行查找资料比对。
3. WebGPU Uniform
WebGPU 有三个类型的 Uniform 资源：标量/向量/矩阵、纹理、采样器。
各自有各自的容器，第一种统一使用 GPUBuffer，也就是所谓的 UBO；第二和第三种使用 GPUTexture 和 GPUSampler.
3.1. 三类资源的创建与打组传递
上述三类资源，把它们通过打成一组，也就是 GPUBindGroup，我叫它资源绑定组，进而传递给组织了着色器模块（GPUShaderModule）的各种管线（GPURenderPipeline、GPUComputePipeline）。
统一起来好办事，这里为节约篇幅，数据传递就不再细说，着重看看它们的打组成绑定组的代码：
const someUbo = device.createBuffer({ /* 注意 usage 要有 UNIFORM */ })
const texture = device.createTexture({ /* 创建常规纹理 */ })
const sampler = device.createSampler({ /* 创建常规采样器 */ })
// 布局对象联系管线布局和绑定组本身
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'
}
}
]
})
const bindGroup = device.createBindGroup({
layout: bindGroupLayout,
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: someUbo // <- 传入 UBO
}
}
]
})
// 管线
const pipelineLayout = device.createPipelineLayout({
bindGroupLayouts: [bindGroupLayout]
})
const renderingPipeline = device.createRenderPipeline({
layout: pipelineLayout
// ... 其它配置
})
// ... renderPass 切换 pipeline 和 bindGroup 进行绘制 ...
3.2. 更新 Uniform 与绑定组的意义
更新 Uniform 资源其实很简单。
如果是 UBO，一般会更新前端修改的灯光、材质、时间帧参数以及单帧变化的矩阵等，使用 device.queue.writeBuffer 即可：
device.queue.writeBuffer(
someUbo, // 传给谁
0,
buffer, // 传递 ArrayBuffer，即当前帧中的新数据
byteOffset, // 从哪里开始
byteLength // 取多长
)
使用 writeBuffer 就可以保证用的还是原来创建那个 GPUBuffer，它与绑定组、管线的绑定关系还在；不用映射、解映射的方式传值是减少 CPU/GPU 双端通信成本
如果是纹理，那就用 图像拷贝操作 中的几个方法进行纹理对象更新；
一般不直接对采样器和纹理的更新，而是在编码器上切换不同的绑定组来切换管线所需的资源。尤其是纹理，若频繁更新数据，CPU/GPU 双端通信成本会增加的。
延迟渲染、离屏绘制等需要更新颜色附件的，其实只需要创建新的 colorAttachments 对象即可实现“上一帧绘制的下一帧我能用”，不需要直接从 CPU 内存再刷入数据到 GPU 中。
更新 Uniform 需要对每一帧几乎都要改的、几乎不变的资源进行合理分组，分到不同的绑定组中，这样就可以有针对性地更新，而无需把管线、绑定组重设一次，仅仅在通道编码器上进行切换即可。
3.3. 着色器中的 Uniform
此处不涉及太多 WGSL 语法。
与 UniformBlock 类似，需要指定“一块东西”，WGSL 直接使用的结构体。
首先，是 UBO：
// -- 顶点着色器 --
// 声明一个结构体类型
struct Uniforms {
modelViewProjectionMatrix: mat4x4<f32>;
};
// 声明指定其绑定ID是0，绑定组序号是0
@binding(2)
@group(0)
var<uniform> myUniforms: Uniforms;
// —— 然后这个 myUniforms 变量就可以在函数中调用了 ——
然后是纹理和采样器：
@group(0)
@binding(1)
var mySampler: sampler;
@group(0)
@binding(2)
var myTexture: texture_2d<f32>;
// ... 片元着色器主函数中进行纹理采样
textureSample(myTexture, mySampler, fragUV);
4. 对比总结
WebGL 以 2 为比对基准，它与 WebGPU 相比，没有资源绑定组，没有采样器对象（采样参数通过另外的方法设置）。
比起 WebGPU 的传 descriptor 式的写法，使用一条条方法切换 UniformBlock、纹理等资源可能会有所遗漏，这是全局状态写法的特点之一。当然，上层封装库会帮我们屏蔽这些问题的。
与语法风格相比，其实 WebGPU 改进的更多的是这些 uniform 在每一帧更新时 CPU 到GPU 的负载问题，它是事先由编码器编码成指令缓冲最后一次性发送的，比起 WebGL 一条一条发送是更优的，在图形渲染、GPU运算这种地方，积少成多，性能就高了起来。
关于 WebGL 2.0 的 Uniform 和 GLSL300 我学识不精，若有错误请指出。
5. 参考资料
标签：WebGPU,const,WebGL,绑定,uniform,Uniform,gl,着色器 来源： https://www.cnblogs.com/onsummer/p/webgpu-vs-webgl-uniform.html