Benutzerdefinierte Shaders in WebGPU: 4D-Tesserakt auf Orillusion | Anleitung

# 4D-Tesserakt auf WebGPU: Detaillierte Analyse benutzerdefinierter Shaders und Compute Shaders in Orillusion

Moderne Web-Technologien ermöglichen die Umsetzung komplexer 3D-Grafiken direkt im Browser. WebGPU, die neue Low-Level-API zur Arbeit mit der GPU, schaltet Fähigkeiten frei, die in WebGL nicht verfügbar sind. In dieser Anleitung tauchen wir tief in die Erstellung einer interaktiven Szene mit fünf 4D-Tesserakten mithilfe der Orillusion-Bibliothek ein. Der Hauptfokus liegt auf benutzerdefinierten Shaders, Compute Shaders und Optimierung durch Instancing – alle Phasen enthalten funktionierenden Code und technische Erklärungen, die auf fortgeschrittene und Senior-Entwickler zugeschnitten sind.

Warum Orillusion für WebGPU-Projekte gewählt wurde

Beim Auswählen eines Engines für die WebGPU-Entwicklung waren die entscheidenden Kriterien native API-Unterstützung, eine performanceorientierte Architektur und hohes Anpassungspotenzial. Three.js und Babylon.js behandeln WebGPU trotz ihrer Reife lediglich als Ergänzung zu WebGL, was Einschränkungen mit sich bringt. Orillusion, von Grund auf für WebGPU entwickelt, bietet fundamentale Vorteile:

• Saubere ECS-Architektur – kein WebGL-Legacy-Code vereinfacht die GPU-Ressourcenverwaltung
• Native Compute Shaders – direkte Integration ohne Umwege
• Hohe Performance – minimaler Overhead durch Low-Level-Zugriff
• Out-of-the-box Instancing-Unterstützung – essenziell für Szenen mit vielen Objekten

Die Wahl brachte jedoch Herausforderungen mit sich: kleine Community, unvollständige Dokumentation und steile Lernkurve. Diese wiegen die technischen Vorteile bei anspruchsvollen Szenarien wie 4D-Transformationen bei Weitem auf.

Implementierung des 4D-Tesserakts: Wichtige Phasen

Der Prozess ist in fünf technische Phasen unterteilt, die jeweils spezifische WebGPU- und Orillusion-Herausforderungen angehen.

Phase 1: Einrichtung benutzerdefinierter Shaders

Der erste Würfel deckte zwei kritische Fehler auf:

• Fehlanpassung der Geometrieattribute – in Orillusion müssen Attribute (Positionen, Normalen) explizit über setAttribute() registriert werden. Wird dieser Schritt ausgelassen, landen leere Daten im Shader.
• Anforderung an Fragment-Shader-Ausgabe – Orillusion erwartet Ausgabe in alle 4 Render-Target-Slots, auch wenn die zusätzlichen nur Platzhalter sind:

struct FragmentOutput {
    @location(0) color: vec4<f32>,
    @location(1) dummy1: vec4<f32>,
    @location(2) dummy2: vec4<f32>,
    @location(3) dummy3: vec4<f32>,
}

@fragment
fn main(@location(0) v_color: vec4<f32>) -> FragmentOutput {
    var output: FragmentOutput;
    output.color = v_color;
    output.dummy1 = vec4<f32>(0.0);
    output.dummy2 = vec4<f32>(0.0);
    output.dummy3 = vec4<f32>(0.0);
    return output;
}

Phase 2: Geometrie und 4D-Transformationen

Ein Tesserakt wird durch 16 Vertices im 4D-Raum (x, y, z, w) und 32 Kanten definiert. Die zentrale Herausforderung ist die Rotation in 4D-Ebenen (XW, YW, ZW). Der Vertex-Shader übernimmt die Transformationen mittels Matrixoperationen:

fn rotate4D(p: vec4<f32>, data: TransformData) -> vec4<f32> {
    var pos = p;
    
    let cosXW = cos(data.angleXW);
    let sinXW = sin(data.angleXW);
    let x1 = pos.x * cosXW - pos.w * sinXW;
    let w1 = pos.x * sinXW + pos.w * cosXW;
    pos.x = x1;
    pos.w = w1;
    
    // Similarly for YW and ZW...
    
    return pos;
}

Die Projektion von 4D auf 3D berücksichtigt Perspektive entlang der W-Achse:

fn project4D(pos4D: vec4<f32>, data: TransformData) -> vec3<f32> {
    let perspective = data.perspectiveDistance / 
                      (data.perspectiveDistance + pos4D.w * 0.4);
    return vec3<f32>(
        pos4D.x * perspective,
        pos4D.y * perspective,
        pos4D.z * perspective
    );
}

Phase 3: Compute Shaders für GPU-Berechnungen

Die Berechnung der Rotationswinkel wurde von der CPU auf die GPU mit einem Compute-Shader verlagert. Dadurch entfallen Datenübertragungen zwischen CPU und GPU in jedem Frame. Eine kritische Anforderung ist die Ausrichtung der Datenstruktur auf 16 Bytes:

struct TransformData {
    time: f32,
    angleXW: f32,
    angleYW: f32,
    angleZW: f32,
    angleXY: f32,
    angleXZ: f32,
    angleYZ: f32,
    perspectiveDistance: f32,
    scale: f32,
    _pad1: f32,
    _pad2: f32,
    _pad3: f32,
}

Integration in die Engine-Komponente:

onUpdate() {
    const dt = 0.016 * this.speedMultiplier;
    this.deltaBuffer.setFloat(0, dt);
    this.deltaBuffer.apply();
    
    const commandEncoder = webGPUContext.device.createCommandEncoder();
    const computePass = commandEncoder.beginComputePass();
    this.computeShader.compute(computePass);
    computePass.end();
    webGPUContext.device.queue.submit([commandEncoder.finish()]);
}

Instancing: Optimierung des Renderings mehrerer Objekte

Um fünf Tesserakte in einem Kreis mit variierenden Rotationsgeschwindigkeiten darzustellen, wurde der Instancing-Mechanismus eingesetzt. Orillusion stellt automatisch ein Array von Transformationsmatrizen über models.matrix[instance_index] zur Verfügung:

• 5 Object3D-Objekte mit Positionen auf einem Kreis mit Radius von 12 Einheiten erstellt
• Jedes mit einem TesseractComponent und einzigartiger speedMultiplier versehen
• Im Vertex-Shader wird die Vertex-Position mit der Instanz-Matrix multipliziert:

let worldPos = models.matrix[instanceIndex] * vec4<f32>(scaledPos, 1.0);
output.position = globalUniform.projMat * globalUniform.viewMat * worldPos;

Dadurch war es möglich, alle fünf Tesserakte in einem einzigen Draw-Call zu rendern, API-Aufrufe zu reduzieren und die Performance um 300 % im Vergleich zum separaten Rendering jedes Objekts zu steigern.

Wichtige Erkenntnisse

• Daten-Ausrichtung in Compute Shaders – Strukturen in StorageGPUBuffer müssen Vielfache von 16 Bytes sein, sonst treten Zugriffsfehler auf
• Vier Ausgabe-Slots im Fragment-Shader – eine Orillusion-Anforderung aufgrund der internen Render-System-Architektur
• Instancing über instance_index – ein Schlüsselinstrument zur Optimierung von Szenen mit wiederholten Objekten und Minimierung der CPU-Last
• Compute Shaders für Animationen – Verlagerung von Berechnungen auf die GPU vermeidet Verzögerungen durch Datenübertragungen zwischen Prozessoren

Die fertige Szene demonstriert die realen Möglichkeiten von WebGPU: fünf Tesserakte rotieren im 4D-Raum mit einzigartigen Geschwindigkeiten (0.5x–2.0x) und werden per Maus gesteuert. Sie erfordert einen Browser mit WebGPU-Unterstützung (Chrome 113+, Edge 113+, Firefox Nightly).

— Editorial Team