Forge项目中的Dyno着色器系统深度解析

概述

Forge项目中的dyno着色器图系统是一个革命性的GPU计算框架，它允许开发者使用JavaScript（可选GLSL）创建自定义计算图，这些计算图最终会被编译为GLSL并在GPU上执行。这一系统类似于现代3D图形引擎中的着色器图系统，但提供了更高级的抽象和类型安全保证。

核心概念

Dyno计算单元

Dyno类及其子类是系统的核心构建块，可以将其视为具有多个类型化输入和输出的函数模块。这些模块之间传递的值类型为DynoVal<T>，其中T必须是DynoType，代表GLSL中的GPU类型。

关键特性：

• 类型安全：通过TypeScript确保GPU计算图的类型正确性
• 静态验证：在编译前就能捕获类型错误
• 可组合性：可以自由组合现有模块或创建自定义模块

类型系统

DynoType可以是：

1. 内置GLSL类型（如"int"、"float"、"vec"等）
2. 用户自定义类型（如{ type: "MyType" }）

内置类型分类

• 单值类型："int"、"uint"、"float"、"bool"
• 向量类型："vec4"、"ivec3"、"bvec2"
• 矩阵类型："mat4"、"mat2x3"
• 采样器类型："sampler2D"、"usampler3D"等

自定义类型示例

Forge定义了几个有用的自定义类型：

• Gsplat：表示一个完整的splat参数
• TPackedSplats：高效存储的splat集合
• SdfArray：有符号距离场数组
• TRgbaArray：RGBA值数组
• SplatSkinning：splat蒙皮相关数据

实际应用场景

Forge目前主要在以下两个场景中使用Dyno系统：

1. 动态splat生成：通过SplatGenerator/SplatMesh动态生成场景中的splat
2. splat距离度量计算：为CPU回读和排序计算splat距离度量

底层执行机制

这些操作通过以下类作为伪计算着色器执行：

• PackedSplats：以16字节/splat的高效格式存储splat集合
• Readback：将索引映射到RGBA8值，生成可读回CPU的32位值

Dyno值类型详解

值类型分类

1. 字面量(DynoLiteral)：

   • 直接提供GLSL字面量字符串
   • 示例：new DynoLiteral("float", "1.0")

2. 常量(DynoConst)：

   • 提供JavaScript值，自动转换为GLSL字面量
   • 示例：new DynoConst("vec3", new THREE.Vector3(1.0, 2.0, 3.0))

3. 输出值(DynoOutput)：

   • 表示Dyno块的特定命名输出
   • 示例：const { opacity } = dyno.splitGsplat(gsplat)

Dyno块设计与实现

构造函数选项

选项	描述
inTypes	输入名称到类型的映射
outTypes	输出名称到类型的映射
inputs	输入值的映射
update	每次执行前调用的更新函数
globals	提供所需全局GLSL定义的函数
statements	提供执行GLSL语句的函数
generate	编译器调用的生成函数

生成上下文(GenerateContext)

属性	描述
inputs	输入键到实际GLSL变量名的映射
outputs	输出键到实际GLSL变量名的映射
compile	编译上下文实例

使用模式

// 基本用法
const { sum } = new dyno.Add({ a, b }).outputs;

// 简化写法
const { sum } = dyno.add(a, b).outputs;

// 单输出简化
const sum = dyno.add(a, b);

高级功能：DynoBlock

DynoBlock是一种特殊的Dyno，可以包含内部子图。推荐使用dynoBlock辅助函数创建：

const generator = dyno.dynoBlock(
  { index: "int" }, // 输入
  { gsplat: Gsplat }, // 输出
  ({ index }) => { // 子图构建
    let gsplat = dyno.readPackedSplat(myPackedSplats, index);
    const opacity = dyno.dynoConst("float", 1.0);
    gsplat = dyno.combineGsplat({ gsplat, opacity });
    return { gsplat };
  }
);

开发辅助工具

1. 代码格式化工具：

   • unindentLines：处理多行字符串，移除公共前导空格
   • unindent：同上，但返回单个字符串

2. 操作符辅助类：

   • UnaryOp：一元操作
   • BinaryOp：二元操作
   • TrinaryOp：三元操作

学习建议

对于初学者，建议从以下方面入手：

1. 研究粒子模拟示例
2. 分析SplatMesh.constructGenerator()的复杂图结构
3. 探索SplatMesh的两个注入点：
   • objectModifier：渲染前修改splat对象
   • worldModifier：修改现有splat对象

通过掌握这些概念和工具，开发者可以充分利用Forge的Dyno系统创建高效、类型安全的GPU计算图，为图形应用带来前所未有的灵活性和性能。