WebGPU实现PBR材质全解析

WebGPU为浏览器PBR渲染带来了前所未有的性能与灵活性。本文深入解析了WebGPU实现PBR材质的全流程，涵盖顶点与材质数据的准备、纹理加载与渲染管线的构建，以及WGSL着色器中光照计算的实现。重点包括：提供位置、法线、UV等顶点数据；利用纹理或uniform传递材质属性；加载IBL相关纹理；创建缓冲区与绑定组传递数据；在片元着色器中实现Cook-Torrance BRDF模型，结合直接光与IBL计算光照。同时，探讨了PBR在WebGPU中的核心数据需求，如基础颜色、金属度、粗糙度、法线贴图等，以及环境贴图的应用。最后，针对WebGPU中PBR光照的常见挑战，提出了离线预计算IBL、利用计算着色器、纹理压缩与打包等优化策略，助力开发者打造高性能的Web端PBR渲染效果。

答案：WebGPU实现PBR需准备顶点与材质数据，加载纹理并构建渲染管线，通过WGSL着色器执行光照计算。具体包括：提供位置、法线、UV及切线等顶点数据；使用纹理或uniform传递baseColor、metallic、roughness等材质属性；加载IBL相关纹理（辐射度图、预过滤环境图、BRDF LUT）；创建缓冲区与绑定组传递数据；定义管线布局与渲染管线；在片元着色器中实现Cook-Torrance BRDF模型，结合直接光与IBL计算漫反射和镜面反射；最终叠加自发光、AO并进行伽马校正输出颜色。WebGPU凭借其现代低阶API特性、高效的WGSL语言、计算着色器支持及异步机制，显著提升了PBR在浏览器中的性能与灵活性。

用WebGPU实现基于物理的渲染（PBR）材质，本质上就是将PBR的光照模型和材质属性，通过WebGPU提供的现代图形API和WGSL着色器语言，高效地在浏览器中呈现出来。这涉及到复杂的数学计算、纹理采样以及对光照环境的精确模拟。

解决方案

实现PBR材质在WebGPU中，核心在于构建一个能处理PBR光照方程的片元着色器，并确保所有必要的材质数据（如反照率、金属度、粗糙度、法线等）和环境光照信息（如IBL）能正确地传递到着色器。这通常包括以下几个关键步骤：

1. 数据准备：

   • 顶点数据： 至少需要位置、法线、UV坐标。对于法线贴图，还需要切线（Tangent）和副切线（Bitangent）来构建TBN矩阵。
   • 材质属性： PBR材质的核心是其物理属性。这些可以通过纹理（如反照率贴图、金属度粗糙度贴图、法线贴图、环境光遮蔽贴图）或统一变量（uniforms）来提供。例如，baseColor (vec4), metallic (float), roughness (float), emissiveFactor (vec3)。
   • 光照数据： 场景中的定向光、点光源、聚光灯等信息。
   • 环境光照（IBL）： 这是PBR不可或缺的一部分，通常包括一个用于漫反射的辐射度图（Irradiance Map，通常是立方体贴图）和一个用于镜面反射的预过滤环境图（Prefiltered Environment Map，带有MIP层级的立方体贴图），以及一个BRDF查找表（BRDF LUT）。

2. WebGPU资源设置：

   • 纹理加载与绑定： 使用device.createTexture()和device.createSampler()加载所有PBR所需的纹理（反照率、法线、金属度/粗糙度、AO、IBL立方体贴图、BRDF LUT）。这些纹理和采样器会绑定到WebGPU的GPUBindGroup中，供着色器访问。
   • 缓冲区： 创建GPUBuffer来存储顶点数据、索引数据以及场景和材质的统一变量（如模型-视图-投影矩阵、摄像机位置、光照参数）。
   • 管线布局： 定义GPUPipelineLayout，明确着色器中使用的GPUBindGroupLayout。
   • 渲染管线： 创建GPURenderPipeline，配置顶点着色器和片元着色器（WGSL），以及深度模板状态、颜色格式等。

3. WGSL着色器实现：

   • 顶点着色器： 主要任务是将模型空间顶点转换到裁剪空间，并传递必要的插值变量（如世界空间法线、世界空间位置、UV、TBN矩阵）给片元着色器。
   • 片元着色器（PBR核心）：
     • 采样材质纹理： 根据UV坐标采样反照率、法线、金属度、粗糙度、AO等贴图。
     • 法线转换： 如果使用法线贴图，需要将采样到的切线空间法线通过TBN矩阵转换到世界空间。
     • PBR光照模型： 这是最复杂的部分。通常采用Cook-Torrance BRDF模型，它包含：
       • 法线分布函数（NDF）： 如GGX，描述微表面法线方向的分布。
       • 几何函数（G）： 如Schlick-GGX，描述微表面自遮挡效应。
       • 菲涅尔方程（F）： 如Schlick近似，描述光线在不同入射角下的反射率。
     • 直接光照： 遍历场景中的每个光源，计算它们对当前片元的漫反射和镜面反射贡献，结合PBR方程。
     • 间接光照（IBL）：
       • 漫反射IBL： 使用世界空间法线采样辐射度图，获取环境的漫反射光照。
       • 镜面反射IBL： 使用反射方向和粗糙度采样预过滤环境图（利用MIP层级），并结合BRDF LUT来校正镜面反射的颜色和强度。
     • 最终颜色： 将直接光照、间接光照、自发光和环境光遮蔽等因素叠加，并进行伽马校正，输出最终颜色。

4. 渲染循环：

   • 在每一帧中，获取WebGPU的GPUCommandEncoder。
   • 开始一个渲染通道（renderPassEncoder）。
   • 设置管线、绑定组、顶点缓冲区、索引缓冲区。
   • 调用drawIndexed()绘制模型。
   • 结束渲染通道，提交命令缓冲区到队列。

为什么WebGPU是实现PBR的理想选择？

说实话，WebGPU的出现，让在浏览器中实现像PBR这种高级渲染技术变得前所未有的“顺手”。我觉得这主要得益于它几个核心特性：

首先，WebGPU是一个现代、低级的图形API。它不再像WebGL那样，只是OpenGL ES的简单映射。WebGPU的设计理念更贴近DirectX 12、Vulkan和Metal这些桌面级API，提供了更细粒度的控制权。这意味着我们可以更直接地与GPU硬件交互，减少了驱动层的抽象和开销。对于PBR这种计算密集型且对性能要求较高的渲染管线来说，这种低延迟和高效率的优势是显而易见的。

其次，WGSL（WebGPU Shading Language）是专为WebGPU设计的着色器语言。它汲取了GLSL、HLSL和SPIR-V的优点，提供了一种强类型、模块化的语言环境。在WGSL中编写PBR所需的复杂数学函数（如GGX NDF、Schlick-GGX几何函数、菲涅尔方程等）感觉更自然、更可控。它的错误检查和工具链支持也比WebGPU 1.0时代的SPIR-V到GLSL转换要友好得多。我们可以在着色器中实现更复杂的算法，比如多光源处理、多层材质混合，而不用担心性能瓶颈或语言限制。

再者，WebGPU对计算着色器（Compute Shaders）的支持是其一大亮点。PBR中非常关键的IBL（Image-Based Lighting）预计算，例如生成辐射度图、预过滤环境图和BRDF查找表，在传统WebGL中往往需要在CPU上完成或者借助一些技巧。但在WebGPU中，我们可以直接利用计算着色器在GPU上高效地执行这些耗时的预处理任务。这不仅大大加快了加载速度，也让动态环境光照的更新成为可能，提升了PBR渲染的灵活性和真实感。

最后，WebGPU的跨平台和异步特性也为PBR的实现提供了便利。它可以在各种主流浏览器和操作系统上运行，并且API本身是异步的，这有助于防止UI线程阻塞。我们可以利用Web Workers在后台加载PBR纹理、编译着色器，进一步优化用户体验。综合来看，WebGPU为PBR提供了一个强大、灵活且高性能的平台，让开发者能够更专注于渲染效果本身，而不是底层API的限制。

PBR材质在WebGPU中需要哪些核心数据和纹理？

要在WebGPU里把PBR材质渲染出来，我们得给着色器喂饱各种数据，这些数据决定了物体看起来是金属还是塑料，是光滑还是粗糙。核心的数据和纹理主要有这么几类：

1. 基础颜色（Base Color / Albedo）：

   • 数据类型： vec3 或 vec4 (RGB或RGBA)
   • 作用： 这是物体最直观的颜色。对于非金属材质，它就是漫反射颜色；对于金属材质，它代表了反射的颜色。
   • 纹理： baseColorTexture 或 albedoMap。通常是一张彩色的图片，比如木纹、石头的颜色。这张图通常是sRGB格式的，在着色器里需要转换成线性空间进行计算。

2. 金属度（Metallic）：

   • 数据类型： float (0.0 到 1.0)
   • 作用： 决定材质是金属还是非金属。0.0表示完全非金属（绝缘体），1.0表示完全金属。这个值会直接影响菲涅尔反射和漫反射的计算。
   • 纹理： metallicMap。通常是一张灰度图，白色区域表示金属，黑色区域表示非金属。

3. 粗糙度（Roughness）：

   • 数据类型： float (0.0 到 1.0)
   • 作用： 决定材质表面的微观粗糙程度。0.0表示完美光滑（像镜子），1.0表示极其粗糙（光线散射严重）。粗糙度直接影响镜面反射高光的形状和强度。
   • 纹理： roughnessMap。也是一张灰度图，白色区域表示粗糙，黑色区域表示光滑。

   小提示： 很多时候，metallicMap 和 roughnessMap 会被打包到一张纹理的不同通道里，比如R通道存AO，G通道存粗糙度，B通道存金属度，这样可以节省纹理内存和采样次数。

4. 法线贴图（Normal Map）：

   • 数据类型： vec3 (RGB，代表法线方向)
   • 作用： 用来模拟物体表面更丰富的细节，而不需要增加实际的几何体顶点。它存储的是每个像素点在切线空间下的法线方向，通过这个法线来计算光照，让物体看起来有凹凸感。
   • 纹理： normalMap。通常是蓝紫色调的图片。在使用时，需要结合顶点的切线（Tangent）和副切线（Bitangent）来构建TBN矩阵，将法线从切线空间转换到世界空间。

5. 环境光遮蔽（Ambient Occlusion / AO）：

   • 数据类型： float (0.0 到 1.0)
   • 作用： 模拟物体自身或物体之间相互遮挡造成的环境光衰减效果，让凹陷处显得更暗，增加立体感和真实感。
   • 纹理： occlusionMap。灰度图，黑色表示完全遮蔽，白色表示完全暴露。

6. 自发光（Emissive）：

   • 数据类型： vec3 (RGB)
   • 作用： 材质自身发出的光，不受场景中其他光源的影响。
   • 纹理： emissiveMap。彩色的发光贴图。

7. 环境光照（Image-Based Lighting, IBL）相关纹理：

   • 辐射度图（Irradiance Map）：
     • 数据类型： textureCube
     • 作用： 存储环境的漫反射光照信息，通常是一个低分辨率的立方体贴图。用于PBR的漫反射部分。
   • 预过滤环境图（Prefiltered Environment Map）：
     • 数据类型： textureCube
     • 作用： 存储环境的镜面反射光照信息，是一个带有MIP层级的立方体贴图。MIP层级越高，对应的粗糙度越大，模拟模糊的反射。用于PBR的镜面反射部分。
   • BRDF查找表（BRDF LUT）：
     • 数据类型： texture2d
     • 作用： 这是一个2D纹理，预先计算了BRDF方程中的一些复杂项，用于加速镜面反射IBL的计算。它通常存储了菲涅尔项和几何项的积分结果。

这些数据和纹理共同协作，才能让PBR材质在WebGPU中呈现出令人信服的物理真实感。

在WebGPU中处理PBR光照和环境贴图的常见挑战与优化？

在WebGPU里搞PBR，特别是涉及到复杂的光照和环境贴图，我个人觉得会遇到一些挑战，但好在也有不少优化手段可以应对。

常见挑战：

1. 计算复杂度高： PBR着色器本身的数学模型就比较复杂，涉及到大量的向量运算、三角函数、指数函数等。特别是在处理多个光源、多层材质时，片元着色器的计算量会非常大，容易成为性能瓶颈。
2. IBL预计算的开销： 辐射度图、预过滤环境图和BRDF查找表的生成，是一个相当耗时的过程。
   • 辐射度图需要对环境立方体贴图进行卷积，通常是球谐函数或基于重要性采样的蒙特卡洛积分。
   • 预过滤环境图需要为每个MIP层级根据不同的粗糙度进行卷积，这同样是计算密集型的。
   • BRDF LUT虽然是2D纹理，但其生成也需要进行双重积分。 如果这些都在运行时计算，用户可能要等很久。
3. 纹理管理和内存： PBR需要大量的纹理，比如反照率、法线、金属度、粗糙度、AO，再加上IBL的立方体贴图（通常是高分辨率的）和BRDF LUT。这些纹理加起来可能非常大，占用大量GPU内存，并且加载时间也会很长。
4. 线性空间与伽马校正： PBR计算必须在线性颜色空间进行，但大多数纹理（如反照率）都是sRGB伽马空间。这意味着在着色器中需要进行sRGB到线性空间的转换，并在最终输出时进行线性到sRGB的伽马校正。如果处理不当，颜色会显得不正确。
5. 切线空间（Tangent Space）的正确性： 法线贴图依赖于正确的TBN矩阵。如果顶点数据中的切线、副切线计算有误，或者在模型导入时没有正确处理，法线贴图的效果就会出现问题。
6. 调试复杂着色器： WGSL着色器一旦变得复杂，调试起来会比较困难。浏览器提供的工具虽然在进步，但相比桌面级图形调试器还是有差距。

优化策略：

1. 离线预计算IBL： 这是最常见的优化手段。在3D建模软件、引擎工具或自定义脚本中，提前计算好辐射度图、预过滤环境图和BRDF LUT，然后将它们作为普通的纹理资源随模型一起加载。这样在运行时，GPU只需要采样这些预计算好的纹理，大大减少了运行时开销。
2. 利用WebGPU计算着色器（Compute Shaders）： 如果需要动态环境光照（例如，场景中光源变化或天空盒变化），或者无法进行离线预计算，WebGPU的计算着色器就派上用场了。我们可以编写WGSL计算着色器，在GPU上高效地完成IBL的卷积和BRDF LUT的生成。虽然仍有运行时开销，但比在CPU上计算快得多。
3. 纹理压缩与打包：
   • 纹理压缩： 尽可能使用GPU支持的纹理压缩格式（如BCn系列），这能显著减少纹理内存占用和加载时间。不过，WebGPU对纹理压缩格式的支持可能因设备而异，需要做好兼容性处理或在CPU端进行解压。
   • 纹理打包： 将多张灰度纹理（如金属度、粗糙度、AO）打包到一张纹理的不同通道中。例如，一张RGBA纹理，R通道存AO，G通道存粗糙度，B通道存金属度。这样可以减少纹理采样器的数量和纹理内存。
4. LOD（Level of Detail）和MIP Maps：
   • 对于环境贴图，特别是预过滤环境图，MIP Maps是其核心。WebGPU会自动处理MIP Maps的生成和采样，这对于不同粗糙度下的镜面反射至关重要。
   • 对于普通PBR纹理，也应生成MIP Maps，以提高渲染效率和减少纹理

今天关于《WebGPU实现PBR材质全解析》的内容就介绍到这里了，是不是学起来一目了然！想要了解更多关于的内容请关注golang学习网公众号！