Cellarium 是一个基于 Rust 和 wgpu 实现的 GPU 加速元胞自动机框架，其核心设计理念是为开发者提供一个交互式的 “游乐场”，能够以声明式的方式定义细胞行为规则，并自动编译为可在 GPU 上并行执行的 WGSL 着色器。与传统的元胞自动机模拟器不同，Cellarium 将整个模拟管线从规则定义到渲染输出整合在同一个 Rust 程序中，通过编译时宏处理实现了类型安全的 shader 生成，同时提供了完整的运行时交互控制能力。本文将从渲染架构、规则配置系统、状态机设计三个维度，深入剖析 Cellarium 的工程实现要点，为构建类似的可视化系统提供参考。
渲染架构：wgpu 与双缓冲机制
Cellarium 的渲染架构建立在 wgpu 库之上，这是一个 Rust 原生的跨平台 GPU API 抽象层，能够同时支持 Vulkan、Metal、DirectX 12 以及 WebGPU 后端。在 Cellarium 中，每个细胞的状态被编码为 rgba32float 格式的纹理数据，这意味着每个像素的 RGBA 四个通道可以存储四个独立的浮点数值。结构体字段通过 #[derive(CellState)] 宏自动打包到 GPU 纹理中，设计者无需关心底层纹理布局，宏会自动将字段映射到可用的通道，确保字段不会被拆分到不同的纹理。这种设计在保证内存紧凑的同时，也简化了开发者对多状态细胞的管理。
整个模拟过程采用双缓冲（double-buffered）机制：所有细胞在每个 tick 从同一帧状态 N 读取数据，并写入下一帧状态 N+1。这种设计从根本上消除了细胞间的读写冲突，因为不存在任何细胞能够看到另一个细胞的 “进行中” 更新。每个渲染通道实际上是一个完整的计算加渲染管线：首先通过计算着色器（或 fragment shader）更新所有细胞状态，然后直接将结果渲染到窗口。在 Simulation API 中，开发者可以通过 ticks_per_frame 参数控制每帧执行的模拟步数，这个参数允许在模拟速度和视觉流畅度之间进行权衡 —— 对于需要快速迭代的实验，可以设置为较高的值以加速演化过程；对于需要观察细节的场景，则可以降低该值以获得更平滑的动画效果。
规则配置系统：宏设计与邻域 API
Cellarium 的规则配置系统是其最具创新性的部分。开发者使用 Rust 编写细胞行为逻辑，然后通过两个关键的属性宏 ——#[derive(CellState)] 和 #[cell]—— 将 Rust 代码 “转译” 为 WGSL 着色器。这种转译并非简单的字符串拼接，而是经过精心设计的宏系统，能够识别并处理一个受限的 Rust 子集。这个子集包括基本的算术运算、比较运算、逻辑运算、控制流（仅支持 if/else）、数学函数（sin、cos、sqrt 等）以及向量运算方法。所有这些语言特性都有对应的 WGSL 表达式，因此可以在编译时安全地转换为 shader 代码。
邻域（Neighborhood）定义是元胞自动机规则的核心概念，Cellarium 提供了三种邻域类型：moore 表示 Moore 邻域（周围 8 个细胞），von_neumann 表示冯・诺依曼邻域（上下左右 4 个细胞），radius(N) 则表示以切比雪夫距离为 N 范围内的所有细胞。Neighbor API 提供了丰富的聚合操作，包括 sum、mean、min、max、count 等基础统计，还支持带条件的聚合（sum_where、mean_where），以及微分算子如 laplacian、gradient、divergence。这些算子使得实现反应 - 扩散系统、流体模拟等复杂模型变得直观。以 Gray-Scott 反应扩散模型为例，只需定义包含化学物质浓度 A 和 B 的结构体，然后在 update 方法中应用 Laplacian 算子计算扩散，配合反应项的数学公式即可完成完整实现。
状态机与运行时交互控制
Cellarium 不仅是一个模拟引擎，更是一个完整的交互式可视化工具。状态机设计贯穿于整个运行时控制系统，开发者可以通过 Simulation API 创建模拟实例并配置各种参数，包括窗口标题、每帧步数、起始状态（暂停或运行）、窗口尺寸等。运行时的键盘控制提供了基本的模拟操作：空格键暂停或恢复，R 键重置到初始状态，加号减号调整每帧步数，ESC 退出程序。此外还支持鼠标滚轮缩放和拖拽平移，方便观察大规模模拟的细节。
参数调节是 Cellarium 另一个强大的功能。在实现细胞行为时，使用 const 声明的常量会自动变为运行时可调参数。当模拟启动时，如果存在可调参数，系统会自动生成一个终端用户界面（TUI），开发者可以在模拟窗口和 TUI 之间切换控制。通过上下方向键选择参数，左右方向键以 1.05 倍率微调，按住 Shift 则以 1.2 倍率进行粗调，D 键重置参数到默认值，S 键将当前参数保存为 JSON 文件。保存的参数文件不仅记录了最终参数值，还包含完整的参数变更历史（每个变更对应的 tick 编号），这意味着加载参数文件可以从起点精确回放整个参数演化过程。这种设计极大地便利了实验记录和结果复现。
工程实践要点与设计权衡
从工程实现的角度看，Cellarium 有几个值得关注的设计决策。首先是编译时 vs 运行时的明确边界：类型检查和 shader 生成全部在编译期完成，这意味着任何类型不匹配或不支持的语言特性都会在编译时被捕获，而不是等到运行时才出现渲染错误。运行时系统只负责模拟执行、窗口管理和用户交互，保持了极致的轻量化。其次是 Rust 子集的设计权衡：为了确保到 WGSL 的可靠映射，宏接受的 Rust 特性是精心挑选的 —— 例如不支持 match 表达式、不支持循环结构，这看起来是一种限制，但实际上迫使开发者用更函数式、更向量化的方式思考问题，反而有利于 GPU 并行化。
另一个重要工程决策是纹理布局策略。Cellarium 限制每个结构体最多使用 8 个纹理（即 32 个浮点数），这个上限既考虑了大多数元胞自动机模型的实际需求，也确保了寄存器压力在合理范围内。对于需要更多状态的复杂模型，开发者需要自行在状态紧凑性和功能完整性之间做出权衡。颜色映射通过 view 方法实现，Cellarium 提供了 Color::rgb、Color::hsv 等便捷构造器，支持从细胞状态到显示颜色的灵活转换。这种分离使得同一套状态可以有不同的可视化呈现，非常适合探索性研究。
小结
Cellarium 代表了一种将高级语言特性与 GPU 加速相结合的工程范式。通过 Rust 宏系统实现 DSL 级别的规则定义体验，通过 wgpu 获得跨平台的 GPU 能力，通过精心设计的运行时控制系统提供完整的交互能力。对于希望构建类似可视化系统的开发者而言，Cellarium 的架构提供了几个关键启示：编译时生成代码可以提供更好的类型安全和调试体验；受限的语言子集设计可以降低向底层 shader 映射的复杂度；完善的运行时控制能够显著提升探索性实验的效率。这些设计原则不仅适用于元胞自动机领域，也可以推广到其他需要将高级描述语言映射到 GPU 执行的场景中。
参考资料
- Cellarium GitHub 仓库：https://github.com/andrewosh/cellarium