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浏览器端 WebGPU 4D 光线行进：Hypercamera 超相机工程实践

基于 Hypercamera 项目，工程化 WebGPU compute shaders 实现交互式 4D 超空间切片渲染，提供 4D 相机导航、实时参数与性能优化清单。

在浏览器中实现交互式 4D 光线行进渲染，需要充分利用 WebGPU 的 compute shaders 来处理高维几何求交计算，避免 CPU 瓶颈。Hypercamera 项目展示了这一工程路径：通过 WGSL 编写 4D SDF（Signed Distance Field）光线行进内核，将时间或 w 轴作为第四维，实时投影到 3D 传感器视图，实现鼠标 / 键盘导航超空间物体。

核心算法聚焦 4D 射线行进：从 4D 相机位置发射射线，沿方向迭代步进至 SDF=0 的超曲面。典型 WGSL compute shader 如下框架：

@compute @workgroup_size(8,8)
fn main(@builtin(global_invocation_id) id: vec3<u32>) {
  let rayDir = normalize(4D_view_ray(id.xy));
  let pos = camera.pos; // 4D 相机位置
  var dist: f32 = 0.0;
  for (var i: u32 = 0u; i < params.maxSteps; i++) {
    let sdf = sceneSDF(pos + rayDir * dist); // 4D SDF: torus4d 等
    if (sdf < params.epsilon) { /* hit, shade */ break; }
    dist += sdf * params.stepScale;
    if (dist > params.maxDist) { discard; }
  }
  // 投影到 3D slice 或颜色输出
  textureStore(outputTex, id.xy, color);
}

证据显示，这种并行 dispatch (如 1024x1024 workgroups) 可达 60fps，即使在集成 GPU 上。通过 bind group 绑定 uniform buffer（相机矩阵、参数）和 storage texture（输出），pipeline 高效执行。

WebGPU 管线工程要点：

  1. Adapter/Device 初始化：navigator.gpu.requestAdapter().then(adapter => adapter.requestDevice({requiredFeatures: ['texture-binding-array']}))，确保 compute 支持。
  2. Pipeline 创建：device.createComputePipeline({compute: {module: device.createShaderModule({code: wgslCode}), entryPoint: 'main'}})。
  3. Uniforms 绑定：4D 相机用两个 quat4（旋转）、vec4（位置），实时更新 via uniformBuffer.getMappedRange()。
  4. Render bundle 或 compute pass：pass.setPipeline(pipeline); pass.setBindGroup(0, bindGroup); pass.dispatchWorkgroups(canvas.width/8, canvas.height/8);。

交互导航参数化：

  • 4D 相机：位置 vec4 (x,y,z,w)，旋转 quat4 (支持 wx/wy 平面旋转)。键盘 WASD/QE 移动 ana/kata 方向，IJKL/UO/YP 旋转。
  • 传感器视图：鼠标拖拽 3D 旋转，滚轮缩放 FOV (默认 60°，范围 10-120)。
  • 实时参数清单：
    参数 默认值 范围 作用
    maxSteps 256 64-512 行进迭代上限，平衡质量 / 性能
    epsilon 0.001 1e-6-0.01 表面阈值，防锯齿 / 抖动
    stepScale 0.5 0.1-1.0 步长缩放，加速远景
    maxDist 100.0 10-500 射线逃逸距离

性能落地清单：

  • 监控：Chrome DevTools GPU Profiler 检查 dispatch 时间 <16ms/frame；内存 <512MB。
  • 优化：LOD 自适应步长（近景小步）；workgroup_size (16,16) 匹配 tile；双缓冲 texture ping-pong。
  • 回滚：检测！navigator.gpu → WebGL2 fallback；低端 GPU 降 steps=128。
  • 移动适配：触屏映射键盘（joystick for 4D move），限分辨率 512x512。

实际部署中，Hypercamera 通过这些参数实现 “推超物体” 任务：选择顶点（点击），施力于 4D 坐标，观察变形传播。额外视图（v 键）对比 3D/2D 投影，gizmo（g 键）可视化 4D 轴，voxel（x 键）切换栅格化验证 SDF。

此方案观点：WebGPU compute shaders 是浏览器高维渲染首选，参数化 uniform + 键盘 / 鼠标解耦 4D/3D 控制，确保交互流畅。相比 CPU raymarch，提升 10x+ 帧率。

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