shader

У тех, кто работает с низкоуровневой графикой, сегодня на слуху WebGPU — новый кроссплатформенный API для доступа к возможностям современных видеокарт. WebGPU призван объединить Vulkan, Metal и D3D12 под унифицированным набором функций и станет не просто веб-стандартом, но и, в перспективе, неплохой заменой OpenGL: реализации этого API уже существуют в виде рабочих прототипов wgpu-native от Mozilla и Dawn от Google — любой может использовать их в своих собственных приложениях.

WebGPU имеет сравнительно простую архитектуру, доступную для понимания «простыми смертными» практически с первого прочтения заголовочного файла. Единственной проблемой до недавнего времени было отсутствие консенсуса по шейдерному языку — существующие реализации WebGPU использовали двоичное промежуточное представление SPIR-V от Khronos, а Apple настаивала на текстовом языке на основе WSL. Компромиссом стал WGSL (WebGPU Shading Language), высокоуровневый язык со строго определенной семантикой и буквальной трансляцией в/из SPIR-V. Многие разработчики оказались недовольны, так как SPIR-V уже успел стать привычным решением и оброс инструментами — сегодня можно компилировать в SPIR-V код на всех языках предыдущих поколений. Однако я вижу больше преимуществ, чем недостатков — перечислю некоторые из них.

• Использование SPIR-V усложняет жизнь при создании игрового движка, требует внедрения дополнительной стадии компиляции шейдеров на стороне разработчика. Референсным компилятором шейдеров считатеся GLSLang от Khronos, но его довольно трудно встроить в приложение как библиотеку, особенно если вы не пишете на C++ — приходится использовать GLSLang как приложение, и это усложняет тулчейн разработки, если нужна кроссплатформенность. Встроенный в API высокоуровневый язык решает эту проблему.
• WGSL разрабатывается как текстовый аналог SPIR-V — они имеют общий набор возможностей. Это значит, что не будет повторения ситуации с GLSL, когда язык по-разному обрабатывается в компиляторах от различных поставщиков. Сохраняется главное преимущество SPIR-V при высоком удобстве использования.
• Vulkan-диалект GLSL 4.60, являющийся де-факто стандартным языком под SPIR-V, имеет множество костылей и архаизмов — у WGSL более продуманный синтаксис, лишенный неявности и многозначности.

Синтаксис WGSL имеет много общего с Rust, особенно заголовки функций:

fn someFunc(x: i32) -> i32 {
    //...
}

Типы объявляются через двоеточие после идентификатора, переменные — при помощи ключевого слова let, константность подразумевается по умолчанию. Для изменяемых переменных есть ключевое слово var. Система типов также пришла из вселенной Rust. Векторные типы имеют форму vec4<f32> (вместо простого vec4), что позволяет явным образом указать битовость используемых чисел. При этом можно объявить type vec4f = vec4<f32>; и писать коротко, если вам так привычнее.

Кстати, очень порадовало, что есть вывод типов — можно не указывать тип переменной, если она тут же инициализируется:

let a = vec4<f32>(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);

Вместо ключевого слова layout — нотация с использованием двойных квадратных скобок, внутри которых записываются атрибуты location и др.:

[[location(0)]] position: vec4<f32>;

Встроенные переменные конвейера обозначаются атрибутом builtin, что весьма удобно при объявлении структур для хранения промежуточных результатов:

struct VertexOutput
{
    [[builtin(position)]] position: vec4<f32>;
    [[location(0)]] color: vec4<f32>;
};

Сравните это с GLSL, где для встроенных переменных используется зарезервированный префикс gl_.

Структуры, являющиеся uniform-блоками, помечаются атрибутом block:

[[block]] struct Uniforms {
    //...
};

Прямым аналогом вулкановских set и binding являются атрибуты group и binding.

Vulkan/GLSL:

layout(set=0, binding=0) uniform Uniforms uniforms;

WGSL:

[[group(0), binding(0)]] var uniforms: Uniforms;

Программы на WGSL можно не разделять на два текста — вершинный и фрагментный шейдеры можно хранить в одном файле и, таким образом, использовать общие объявления. Для этого используется атрибут stage. Названия самих входных точек могут быть произвольными, но чаще всего в примерах используют vs_main и fs_main.

[[stage(vertex)]]
fn vs_main() -> VertexOutput
{
    //...
}

[[stage(fragment)]]
fn fs_main(input: FragmentInput) -> [[location(0)]] vec4<f32>
{
    //...
}

Очень непривычно в WGSL записываются циклы:

var i = i32(0);
loop {
    break if (i == 5);
    //...
    continuing {
        i = i + 1;
    }
}

Впрочем, на момент написания статьи обсуждается возможность поддержки классического for.

Подведу итог: с первого взгляда WGSL кажется хорошим решением давней проблемы с языками шейдеров. Высокоуровневое представление SPIR-V — это отличная идея. Непривычный синтаксис и конструкции со спорным юзабилити могут усложнить портирование на WGSL готовых шейдеров, но в целом впечатление от языка весьма позитивное.