軽率にBabylon.jsの WebGPUエンジンを使って ComputeShaderに入門した / learn-about-babylonjs-webgpu-computeshader

IwakenLab Shaderこんな感じ発表会＃２

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1. 軽率にBabylon.jsの WebGPUエンジンを使って ComputeShaderに入門した Shaderってこんな感じ発表会 #2 にー兄さん(@ninisan_drumath)
2. にー兄さん(@ninisan_drumath) ソフトウェアエンジニア 株式会社ホロラボ / IwakenLab Unity / ロケーションベースAR / WebAR / Babylon.js / Azure Kinect 最新技術を使った検証開発や デモンストレーションが好き 唐突な うちの猫たち→
3. 本日の話： 「WebGPUのComputeShaderって こんな感じ」 Babylon.jsの
4. アジェンダ - WebGPUとかWGSLとかComputeShaderとか - Babylon.jsでもComputeShaderが使いたい - おわりに
5. WebGPUとかWGSLとか ComputeShaderとか
6. WebGPUとは① ブラウザ向けグラフィクスAPIの一種 従来はWebGL・WebGL2などがあり、 WebGL2が主流になろうとしている（ここの温度感あってる？） 今年の5月くらいにPC向けGoogle Chrome 113から 特殊な設定なしで利用できるように
7. WebGPUとは② 嬉しいところ - 低レベルなAPIを採用され、処理効率が向上 - モダングラフィクスAPIの流れを汲んでいる - コンピュートシェーダが使える これからに期待 - 2023年現在 使える環境が限られている - WebXRでは使えない、はず（要出典）
8. WGSL WebGPUで採用されているシェーダ言語 Rustっぽい構文 下記はCYOSで生成されたコードの比較（少し調整済み） #version 300 es precision highp float; in vec3 position; uniform mat4 worldViewProjection; out vec4 vPosition; void main() { vec4 p = vec4(position, 1.f); vPosition = p; gl_Position = worldViewProjection * p; } #include<sceneUboDeclaration> #include<meshUboDeclaration> attribute position : vec3<f32>; varying vPosition : vec4<f32>; @vertex fn main(input: VertexInputs) -> FragmentInputs { let p = vec4<f32>(vertexInputs.position, 1.0); vertexOutputs.vPosition = p; vertexOutputs.position = scene.viewProjection * mesh.world * p; } WGSL GLSL
9. Compute Shader 汎用的な計算をGPUで行うための仕組み つまりGPGPU(General Purpose GPU) WebGL系ではこの仕組みが無かったので vertex/fragmentシェーダで実現していた WebGPUには標準搭載されており、WGSLで書ける
10. Babylon.jsでも ComputeShaderが使いたい
11. 完成イメージ
12. どんなものを作るか GPUパーティクルを意識して 大量のオブジェクトの属性計算をGPGPUで処理したい （今回は90,000パーティクル） 平面上のランダムな位置にパーティクル位置を初期化 StorageBufferにPositionの配列を格納 3D Sin Waveを適用（dispatch） PointsCloudSystemにPosition配列を適用 時間によってアニメーションさせて上記処理を繰り返す
13. 環境 - Windows 10 Home - Google Chrome 117 - Babylon.js 6.7.0 - WebGPU Engine使用 - Vite + TypeScript - もし素でWebGPUをTSで開発する場合 @webgpu/typesに型定義があります - Babylon.jsでは不要です サンプルはGitHubで公開しています（docs整備中） https://github.com/drumath2237/babylon-compute-shader-sandbox
14. Babylon.jsにおけるWebGPUとComputeShader WebGPUは ほぼフルサポート　一部機能は動かないらしい 基本的にEngineをWebGPUEngineに差し替えれば 既存のWebGLアプリから移行できる const engine = new WebGPUEngine(renderCanvas, { antialias: true, }); await engine.initAsync(); ComputeShaderはWebGPUエンジンでのみ使用可能 > Note that in Babylon.js this is a WebGPU feature only (starting at v5.0), WebGL does not support compute shaders.
15. ComputeShaderを書く（3dSinWave.wgsl） struct Params { time: f32 } @group(0) @binding(0) var<uniform> params : Params; @group(0) @binding(1) var<storage,read_write> positionBuffer : array<f32>; @compute @workgroup_size(2,1,1) fn main(@builtin(global_invocation_id) global_id: vec3<u32>) { var particleId = global_id.x * u32(300) + global_id.y; var x = positionBuffer[particleId * u32(3)]; var z = positionBuffer[particleId * u32(3) + u32(2)]; var distance = sqrt(x * x + z * z); positionBuffer[particleId * u32(3) + u32(1)] = sin(distance * 1.2 - params.time); } 拡張機能を入れれば VSCodeで普通に書ける
16. ComputeShaderインスタンスの作成 Compute Shaderのコードと bindingsのLayoutを定義して インスタンス化 const sinWaveComputeShader = new ComputeShader( "3d sin wave", engine, { computeSource: computeShaderSource }, { bindingsMapping: { params: { group: 0, binding: 0 }, positionBuffer: { group: 0, binding: 1 }, }, } );
17. UniformBufferを作成 プリミティブな値は UniformBufferとして渡している 時間によるアニメーションのための float32を渡して更新する let time = 5; const waveParamsUniformBuffer = new UniformBuffer( engine, undefined, undefined, "params" ); waveParamsUniformBuffer.addUniform("time", 1); waveParamsUniformBuffer.updateFloat("time", time); sinWaveComputeShader.setUniformBuffer( "params", waveParamsUniformBuffer );
18. Position配列の初期化とStorageBufferの作成 PointCloudSystemと Compute Shaderの相互で 参照するPosition配列（Float32Array） ComputeShaderには StorageBufferに変換して渡している const positionBuffer = new Float32Array(PARTICLE_COUNT * 3); for (let i = 0; i < PARTICLE_COUNT; i++) { positionBuffer[i * 3] = randomNumberBetween(-10, 10); positionBuffer[i * 3 + 1] = 0; positionBuffer[i * 3 + 2] = randomNumberBetween(-10, 10); } const positionStorage = new StorageBuffer( engine, positionBuffer.byteLength ); positionStorage.update(positionBuffer); sinWaveComputeShader.setStorageBuffer( "positionBuffer", positionStorage);
19. 繰り返しdispatch シーンのレンダリングループで 時間を更新して位置を再計算 dispatchのコスト高そうなので あまりよくない……？ scene.registerBeforeRender(async () => { time += 0.1; waveParamsUniformBuffer.updateFloat("time", time); waveParamsUniformBuffer.update(); await sinWaveComputeShader.dispatchWhenReady( PARTICLE_ONE_SIDE, PARTICLE_ONE_SIDE ); const res = await positionStorage.read(); positionBuffer.set(new Float32Array(res.buffer)); pointCloud.setParticles(); });
20. 完成
21. おわりに
22. まとめと感想 WebGPUのComputeShader気になっていたので 入門できてうれしい Babylon.jsだと普通に動くっぽいのでみんなでやろう
23. 参考 WebGPUがついに利用可能に WebGL以上の高速な描画と、計算処理への可能性 https://ics.media/entry/230426/ IwakenLabShader勉強会でBabylon.jsにおけるComputeShaderでGPUパーティクルを行うデモの準備 https://zenn.dev/drumath2237/scraps/082ff30318fb2e WGSL 仕様メモ https://ikorin2.hatenablog.jp/entry/2023/04/23/213426 Compute Shaders | Babylon.js Documentation https://doc.babylonjs.com/features/featuresDeepDive/materials/shaders/computeShader