3d你不得不了解的知识Three.js、WebGL、WebGPU 和 Shaders 是现代 Web 3D 图形开发中紧

Three.js、WebGL、WebGPU 和 Shaders 是现代 Web 3D 图形开发中紧密相关的概念。它们共同构成了在浏览器中实现高性能、高质量三维体验的基础。下面我将详细讲解它们之间的关系以及各自的作用。

1. Three.js

Three.js 是什么？ Three.js 是一个用 JavaScript 编写的、轻量级的 3D 库。它的目标是尽可能简单地创建和显示 3D 内容。它封装了底层的 WebGL（以及现在也支持 WebGPU）API，提供了更高级、更易用的接口，让开发者无需直接处理复杂的 WebGL/WebGPU 细节，就能轻松构建 3D 场景、模型、动画和交互。

Three.js 的优势：

易用性： 极大地简化了 3D 开发，提供了直观的对象模型（场景、相机、几何体、材质、灯光等）。
功能丰富： 支持各种几何体、材质、纹理、灯光、阴影、后处理效果、物理引擎集成、VR/AR 等。
活跃社区和生态系统： 拥有庞大的用户群体和丰富的示例、插件和教程。
跨平台： 运行在支持 WebGL/WebGPU 的任何现代浏览器上。

Three.js 的工作方式： 开发者通过 Three.js API 定义 3D 场景中的各种元素，例如创建一个 BoxGeometry、一个 MeshStandardMaterial、一个 Mesh，然后将 Mesh 添加到 Scene 中。Three.js 负责将这些高级描述转换成 WebGL 或 WebGPU 可以理解的低级指令，发送给 GPU 进行渲染。

2. WebGL (Web Graphics Library)

WebGL 是什么？ WebGL 是一种 JavaScript API，用于在任何兼容的 Web 浏览器中呈现交互式 2D 和 3D 图形，而无需使用插件。它基于 OpenGL ES 2.0/3.0 标准，允许 JavaScript 代码直接访问 GPU 进行图形渲染。

WebGL 的特点：

低级 API： 提供了对 GPU 的直接访问，需要开发者管理更多的细节，如缓冲区、着色器程序、纹理等。
基于状态机： WebGL API 的操作通常是改变 GPU 的当前状态，然后执行绘制命令。
性能： 利用 GPU 的并行处理能力，提供比 CPU 渲染更高的性能。
着色器语言： 使用 GLSL (OpenGL Shading Language) 编写着色器。

WebGL 与 Three.js 的关系： 在 WebGPU 出现之前，Three.js 的底层渲染器主要是 WebGLRenderer，它负责将 Three.js 场景中的对象转换为 WebGL 命令并发送到 GPU。可以说，WebGL 是 Three.js 实现 3D 渲染的“引擎”。

3. WebGPU

WebGPU 是什么？ WebGPU 是下一代 Web 图形 API，旨在取代 WebGL。它提供了一种更现代、更低级的 GPU 访问方式，借鉴了现代图形 API（如 Vulkan、Metal 和 DirectX 12）的设计理念。

WebGPU 的优势：

性能提升：
- 更低的 CPU 开销： 允许更有效地提交渲染命令，减少了 CPU 和 GPU 之间的同步开销。
- 更好的多线程支持： 更好地利用多核 CPU。
- 更灵活的渲染管线： 允许开发者对渲染过程有更多的控制，从而进行更深层次的优化。
更强的通用计算能力 (GPGPU)： 除了图形渲染，WebGPU 还提供了强大的计算着色器（Compute Shaders）能力，可以用于机器学习、物理模拟、数据处理等通用计算任务。
更现代的设计： 解决了 WebGL 中一些固有的限制和痛点，例如状态管理复杂性、错误处理不足等。
着色器语言： 使用 WGSL (WebGPU Shading Language) 编写着色器。WGSL 语法上更接近 Rust，并且在编译时有更严格的类型检查。

WebGPU 与 Three.js 的关系： 随着 WebGPU 的普及，Three.js 引入了 WebGPURenderer。这个新的渲染器旨在成为 WebGL/2 和 WebGPU 后端的统一接口，意味着 Three.js 开发者可以在不改变大部分 Three.js 代码的情况下，选择使用 WebGPU 作为底层渲染技术，从而获得性能提升和更多高级功能。

Three.js 对 WebGPU 的支持策略： Three.js 正在积极拥抱 WebGPU，并推出了“Node Material System”和 TSL (Three Shading Language)。这个系统旨在让开发者以更声明式、更模块化的方式构建材质和着色器，并且能够兼容 WebGL 和 WebGPU。它减少了直接编写 WGSL 的需要，但同时也提供了直接使用 WGSL 的能力。

4. Shaders (着色器)

Shaders 是什么？ 着色器是一小段运行在 GPU 上的程序，用于计算图形渲染的各个方面，如顶点的位置、颜色、光照、纹理映射等。它们是 GPU 并行处理能力的核心。

着色器的种类： 在 3D 渲染管线中，最常见的两种着色器是：

顶点着色器 (Vertex Shader)：
- 输入： 接收模型中的每个顶点的数据（如位置、法线、UV 坐标等）。
- 作用： 主要负责将 3D 空间中的顶点坐标转换到屏幕空间，并可以对顶点数据进行变换（如旋转、平移、缩放）、计算法线、传递数据给片元着色器（通过 Varying 变量）。
- 输出： 每个顶点的最终屏幕位置，以及需要传递给片元着器的数据。
片元着色器 (Fragment Shader) / 像素着色器 (Pixel Shader)：
- 输入： 接收由顶点着色器处理后的数据（经过插值后的 Varying 变量，例如颜色、UV 坐标、法线），以及纹理、光照信息等。
- 作用： 对每个像素进行着色计算，确定该像素的最终颜色。这包括纹理采样、光照模型计算、颜色混合、透明度处理等。
- 输出： 每个像素的最终颜色。
计算着色器 (Compute Shader - WebGPU 特有)：
- 输入： 任意数据（通过缓冲区）。
- 作用： 不直接参与图形渲染管线，而是用于通用计算任务。它可以在 GPU 上并行执行大量计算，并将结果存储在缓冲区中，可以用于模拟、机器学习推理、物理计算等。
- 输出： 计算结果（存储在缓冲区中）。

着色器语言：

GLSL (OpenGL Shading Language)： WebGL 使用的着色器语言。
WGSL (WebGPU Shading Language)： WebGPU 使用的着色器语言。它是一种更现代、类型更安全的语言，设计上更接近 Rust。

着色器与 Three.js/WebGL/WebGPU 的关系：

底层核心： 无论是 WebGL 还是 WebGPU，它们工作的核心都是执行着色器代码。
Three.js 中的着色器： Three.js 提供了各种内置材质（如 MeshStandardMaterial、MeshBasicMaterial等），这些材质内部都包含了预定义的着色器代码。开发者通常不需要直接编写 GLSL 或 WGSL。
自定义着色器：
- WebGL： 如果需要高度定制化的效果，Three.js 提供了 ShaderMaterial 或 RawShaderMaterial，允许开发者直接编写 GLSL 代码来控制渲染。
- WebGPU： Three.js 在 WebGPU 渲染器中引入了“Node Material System”和 TSL (Three Shading Language)。通过这个系统，开发者可以更方便地组合和定制材质，而 Three.js 会负责将其编译成 WGSL。当然，如果需要，也可以通过更底层的方式直接编写 WGSL。

总结

Three.js 是一个高级的 JavaScript 库，极大地简化了 Web 3D 开发。
WebGL 是一个低级的 JavaScript API，允许浏览器直接访问 GPU 进行 3D 渲染，是 Three.js 传统上的底层引擎。
WebGPU 是下一代 Web 图形 API，提供更低级的 GPU 访问和更强的通用计算能力，旨在取代 WebGL，并被 Three.js 积极支持。
Shaders (着色器) 是运行在 GPU 上的小程序，负责图形渲染的实际计算（如顶点变换和像素着色），是 WebGL 和 WebGPU 的核心。

Three.js 的目标是让开发者无需深入理解 WebGL 或 WebGPU 的复杂性，就能创建出色的 3D 应用。然而，对于希望实现更独特或更高性能效果的开发者来说，理解 WebGL/WebGPU 的原理以及着色器的工作方式至关重要。随着 WebGPU 的普及，它将为 Three.js 带来更强大的功能和更高的性能潜力。

那 ar vr XR 和它们都有什么关系？

AR（增强现实）、VR（虚拟现实）和 XR（扩展现实）是沉浸式技术领域的核心概念，它们与 Three.js、WebGL、WebGPU 和 Shaders 之间存在着密切而递进的关系。简而言之，后一组技术是实现前一组体验的底层基石。

1. XR (Extended Reality - 扩展现实)

XR 是什么？ XR 是一个总称，涵盖了所有将现实与虚拟世界结合的技术，包括：

VR (Virtual Reality - 虚拟现实)： 完全沉浸式的体验，将用户带入一个完全由计算机生成的虚拟环境。用户看不到真实世界。
AR (Augmented Reality - 增强现实)： 将虚拟内容叠加到真实世界中，通常通过手机屏幕或透明眼镜。真实世界仍然可见，虚拟内容作为增强。
MR (Mixed Reality - 混合现实)： 介于 AR 和 VR 之间，允许虚拟对象与真实环境进行交互，并且虚拟对象看起来像真实世界的一部分。通常需要带有深度传感器的设备。

XR 与 Web 的关系：WebXR Device API 为了在浏览器中实现 AR/VR/MR 体验，Web 社区开发了 WebXR Device API。这是一个 W3C 标准，它允许网页访问设备的沉浸式功能（如头戴式显示器、手柄、摄像头等），从而在浏览器中创建 XR 体验。

2. AR/VR/XR 与 Three.js、WebGL、WebGPU、Shaders 的关系

要理解它们之间的关系，可以从“层级”的角度来看：

底层：WebGL / WebGPU (渲染引擎)

GPU 驱动： 无论是 VR 还是 AR，核心都是在屏幕（或头显的显示屏）上渲染 3D 图形。这就需要直接与设备的图形处理单元 (GPU) 进行通信。
WebGL： 传统的 Web 3D 渲染 API，是 WebXR 能够运行的基础之一。WebXR API 通过 XRWebGLLayer 等接口与 WebGL 进行桥接，将 3D 场景渲染到 VR/AR 设备中。
WebGPU： 作为 WebGL 的下一代，WebGPU 带来了更高的性能、更低的 CPU 开销和更现代的 GPU 特性（如计算着色器）。这意味着未来 WebXR 体验将能够更加复杂、更加逼真。目前，WebXR 也在积极与 WebGPU 进行集成（例如 WebXR/WebGPU integration 功能），以利用其优势。

核心渲染逻辑：Shaders (着色器)

视觉效果的灵魂： 无论 3D 场景是用于桌面、VR 还是 AR，构成场景中所有物体外观和光照效果的都是着色器。
定制化需求： 在 VR/AR 中，为了实现逼真的光照、阴影、反射、折射、粒子效果等，着色器发挥着至关重要的作用。例如，要模拟 AR 中虚拟物体与真实环境的融合，可能需要自定义着色器来处理环境光照、阴影投射等。
性能优化： 着色器编写的效率直接影响渲染性能。在 VR/AR 中，维持高帧率（通常 90fps 或更高）以防止眩晕感至关重要，因此着色器的优化尤为关键。

上层抽象：Three.js (开发框架)

简化复杂性： WebGL 和 WebGPU 是低级 API，直接使用它们进行开发非常复杂。Three.js 正是为了解决这个问题而诞生的。它提供了场景、相机、几何体、材质、灯光、动画等高级抽象，让开发者可以更专注于构建 3D 内容，而不是底层渲染细节。
VR/AR 支持： Three.js 对 WebXR 提供了开箱即用的支持。它内置了 WebXRManager 和相关工具，开发者只需少量代码就能让 Three.js 场景在兼容 WebXR 的设备上以 VR 或 AR 模式呈现。
- VR 模式： Three.js 会自动处理双眼渲染（每个眼睛一个视图）、头部追踪、手柄输入等。
- AR 模式： Three.js 会利用设备的摄像头图像作为背景，并将 3D 场景叠加到摄像头图像上，同时处理姿态追踪，使得虚拟物体能够固定在真实世界的特定位置。
开发效率： 借助 Three.js，开发者可以快速原型开发和迭代 AR/VR 体验，而无需从零开始处理 WebGL/WebGPU 的复杂性。

总而言之：

Three.js 是一个高级 3D 库，它封装了底层图形 API，极大地简化了 Web 3D 内容的创建。
WebGL / WebGPU 是 Three.js 在浏览器中进行 3D 渲染的底层技术。WebGL 是当前广泛使用的标准，WebGPU 则是面向未来的高性能替代方案。
Shaders 是在 GPU 上运行的程序，它们是 Three.js 通过 WebGL/WebGPU 渲染出任何视觉效果的根本。
WebXR Device API 是一个 Web 标准，它允许浏览器访问 XR 设备（如 VR 头显、AR 手机等）的能力。
AR/VR/XR 体验 是最终呈现给用户的沉浸式应用程序。这些应用程序正是通过 Three.js 这样的库，利用 WebXR API，并依赖 WebGL/WebGPU 和 Shaders 来实现其图形渲染和交互逻辑的。

可以说，Three.js、WebGL、WebGPU 和 Shaders 构成了在 Web 上构建 AR/VR/XR 体验的技术栈的基础。Three.js 提供了易用的开发框架，WebXR 连接了硬件，而 WebGL/WebGPU 和 Shaders 则提供了底层的图形渲染能力，共同推动了 Web 沉浸式体验的发展。