圖形科普 ・ 開源專案故事

從 OpenGL 到 WebGPU：一個人用 Kotlin 寫出「一次撰寫、三處執行」的 3D 引擎 —— kool 的故事

一份程式碼，同時跑在桌面 JVM（Vulkan / OpenGL）、Android 與瀏覽器（WebGPU / WebGL）。這背後是三十年的圖形 API 演化，也是一位開發者九年多的業餘堅持。

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demo : https://neojou.github.io/newton-cradle/

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如果你曾經想過：「我能不能只寫一份程式，就讓 3D 場景同時在 Windows、Mac、Android 手機和瀏覽器裡跑起來？」那麼你已經碰到了電腦圖形世界裡最古老、也最頭痛的問題之一 —— 每個平台說的「GPU 語言」都不一樣。

今天要介紹的 kool，是一個用 Kotlin 寫成的開源 3D 引擎，它正是瞄準這個問題而生。不過在認識它之前，讓我們先坐上時光機，回顧一下圖形 API 是怎麼一路走到今天的。

一、三十年的 GPU 語言演化史

1992：OpenGL 與「固定管線」時代

1992 年，Silicon Graphics（SGI）以自家的 IRIS GL 為基礎推出了 OpenGL，讓不同廠商的硬體可以用同一套 API 繪製 3D 圖形。早期的 OpenGL 採用所謂的固定功能管線（fixed-function pipeline）：光照怎麼算、貼圖怎麼混合，都是硬體預先寫死的幾種選項，程式設計師只能「調旋鈕」，不能「改電路」。

2000 年代：可程式化著色器登場

隨著 GPU 越來越強大，業界開始允許開發者自己寫一小段程式在 GPU 上執行，這就是著色器（shader）。OpenGL 2.0（2004）把 GLSL（OpenGL Shading Language）納入核心規格；微軟的 DirectX 這邊則有 HLSL。從此，水面反光、皮膚透光、卡通描邊……各種視覺效果都變成「寫程式」的問題。

手機與網頁：OpenGL ES 與 WebGL

為了手機和嵌入式裝置，Khronos Group 推出了精簡版的 OpenGL ES；而把 OpenGL ES 帶進瀏覽器的，就是 2011 年問世的 WebGL（後來的 WebGL 2 對應 OpenGL ES 3.0）。從此網頁不用外掛也能跑 3D。

平台各自為政：DirectX 與 Metal

另一方面，微軟在 Windows 與 Xbox 上推動 DirectX / Direct3D，蘋果則在 2014 年推出自家的 Metal，並在之後將 OpenGL 標為棄用（deprecated）。結果就是：想跨平台的開發者，得面對一張越來越破碎的地圖。

2016：Vulkan —— 把控制權交還給開發者

OpenGL 的「驅動程式幫你打理一切」設計，在多核心 CPU 時代逐漸成為效能瓶頸。AMD 先推出了低階 API Mantle，後來把它貢獻給 Khronos，成為新一代標準 Vulkan 的重要基礎。Vulkan 1.0 於 2016 年 2 月發布，主打顯式（explicit）、低階控制：記憶體配置、同步、命令緩衝區都由開發者自己管理。代價是 —— 畫一個三角形可能要寫上千行程式碼。Vulkan 的著色器不直接吃 GLSL 文字，而 是吃一種中間格式 SPIR-V（二進位位元碼）。

2023：WebGPU —— 網頁的新世代 GPU API

在瀏覽器這端，W3C 的 GPU for the Web 工作小組設計了 WebGPU：概念上接近 Vulkan / Metal / Direct3D 12 的現代設計，並支援 compute shader（運算著色器）。它的著色語言叫做 WGSL（WebGPU Shading Language）。WebGPU 於 2023 年隨 Chrome 113 正式出貨（Windows、macOS、ChromeOS）。

📌 WebGPU 支援現況（依 gpuweb 官方實作狀態頁，2026 年 10 月查核）

• Chromium 系（Chrome / Edge）：Windows、macOS、ChromeOS 自 113 版起支援；Android 12+（部分 GPU）自 121 版起；Linux 依 GPU／驅動陸續開放。
• Firefox：Windows 自 141 版、Apple Silicon Mac 自 145 版起預設啟用；Linux 與 Android 仍在進行中。
• Safari：macOS / iOS / iPadOS / visionOS 26 起預設支援。

資料來源：gpuweb Implementation Status。各瀏覽器版本更新快速，以官方頁面為準。

小整理：圖形 API 時間軸

年份	事件	著色語言
1992	SGI 推出 OpenGL（固定功能管線）	—
2004	OpenGL 2.0 將可程式化著色器納入核心	GLSL
2011	WebGL 1.0（基於 OpenGL ES 2.0）	GLSL ES
2014	Apple 推出 Metal	MSL
2016	Khronos 發布 Vulkan 1.0（承襲 AMD Mantle）	SPIR-V
2023	WebGPU 隨 Chrome 113 正式出貨	WGSL
2025	Firefox 141（Windows）、Safari 26 相繼預設支援 WebGPU	WGSL

二、痛點：同一個畫面，要寫三四套著色器？

把上面的歷史攤開，跨平台開發者的困境就很清楚了：桌面上想用 Vulkan（要 SPIR-V）或 OpenGL（要 GLSL）、Android 上是 OpenGL ES、瀏覽器裡有 WebGL（GLSL ES）和 WebGPU（WGSL）。同一個「金屬質感的方塊」，可能要準備好幾份語法不同的著色器，還得各自除錯。

kool 的回答是：用 Kotlin 寫一次，其餘交給引擎翻譯。

💡 kool 支援的平台與後端（依 README）

• 桌面 JVM：Vulkan、OpenGL（透過 LWJGL）皆「完整可用」；WebGPU（透過 wgpu4k）「大致可用」。Windows / Linux / macOS（macOS 不支援 OpenGL 後端）。
• 瀏覽器（JS + WASM）：WebGPU、WebGL 2。WebGPU 不可用時自動退回 WebGL。
• Android：OpenGL ES 3。

KSL：用 Kotlin 寫著色器

kool 最核心的設計是 KSL（kool shader language），一個以 Kotlin 型別安全建構器（type-safe builder>）實作的著色器 DSL。你寫的是 Kotlin 程式碼，引擎再產生對應的 GLSL 或 WGSL。我們在原始碼中確認了三個產生器：GlslGenerator（OpenGL / WebGL）、WgslGenerator（WebGPU），以及給 Vulkan 用的 GlslGeneratorVk —— Vulkan 路徑會再透過 LWJGL 的 shaderc 編譯成 SPIR-V。

README 中的 Hello World 著色器長這樣：

shader = KslShader("Hello world shader") {
    val interStageColor = interStageFloat4()
    vertexStage {
        main {
            val mvp = mvpMatrix()
            val localPosition = float3Var(vertexAttribFloat3(Attribute.POSITIONS))
            outPosition set mvp.matrix * float4Value(localPosition, 1f.const)
            interStageColor.input set vertexAttribFloat4(Attribute.COLORS)
        }
    }
    fragmentStage {
        main {
            colorOutput(interStageColor.output)
        }
    }
}

作者在 README 中寫道，這種做法的好處是共用程式碼裡沒有任何寫死的平台專屬著色器，而且未來要加新的產生器（例如 Metal）也相對容易；kool 內建的所有著色器都是用 KSL 寫成的。想看實際效果，可以打開 HelloKsl 線上 Demo。

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我也有做一份：https://neojou.github.io/kool_hello_world/

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不只是渲染器：一整套工具箱

• PBR 與影像式光照（IBL）：金屬度工作流程、多種色調映射（ACES、Khronos PBR Neutral 等）、Bloom、 SSAO、螢幕空間反射、延遲著色（deferred shading）。
• 物理引擎：3D 物理基於 NVIDIA PhysX 5.6，JVM 端用作者自製的 physx-jni，瀏覽器端用同樣是作者自製的 physx-js-webidl（WASM）。2D 物理則基於 Box2D 3.1.1（box2d-jni）。
• 內建 UI 框架（ui2）：API 深受 Jetpack Compose 啟發（remember、modifier、LaunchedEffect），但從零實作、直接在引擎的繪 圖環境裡執行。
• glTF 2.0 模型載入：README 稱「（幾乎）完整」支援，包括動畫、morph target 與骨架蒙皮。
• Compute shader、MSDF 字型、反向深度（reversed depth）、遊戲邏輯與渲染分離的雙執行緒架構。
• 場景編輯器：完全用引擎本身（包括 UI）實作，有 網頁版可直接試玩；README 自承仍處於早期階段，缺少一些相當基本的功能。

🎮 親手玩玩看（瀏覽器直接執行，建議使用支援 WebGPU 的瀏覽器）

• Hello World：旋轉的 PBR 方塊
• PhysX 車輛物理（WASD 駕駛，僅 WebGPU）
• PBR 材質展示、glTF 模型
• 延遲著色：上千個動態光源（僅 WebGPU）
• Compute shader 路徑追蹤（僅 WebGPU）
• 內建 UI 框架展示

小技巧：網址加上 &backend=webgl 或 &backend=webgpu 可強制切換後端。

三、起源：2017 年冬夜的一個 commit

翻開 git 紀錄，kool 的第一個 commit「Initial commit」由作者 fabmax（GitHub 帳號；commit 紀錄中也以 Max Thiele 署名）提交於 2017 年 2 月 10 日（當地時間凌晨 00:06，UTC+1；換算台北時間為同日上午 07:06）。最早的幾個 commit 就已經在處理 WebGL 的視窗同步與滑鼠操控攝影機 —— 從第一天起，「瀏覽器」就在它的藍圖裡。

之後的發展，從 commit 與 release 紀錄可以整理出一條清楚的軌跡：

時間	kool 里程碑（依 git log / GitHub Releases）
2017-02	第一個 commit，初期以 WebGL 為目標
2018-03	開始 Android 平台移植
2018-04	標記 v0.1.0
2019-10	「very first vulkan test」—— 第一次嘗試 Vulkan
2020-01 ～ 06	PBR + IBL、延遲著色、glTF 模型載入陸續加入
2021-01	瀏覽器端物理由 ammo.js 換成 PhysX WASM；作者同月建立 physx-js-webidl 與 physx-jni 專案
2022-03	開始開發 KSL（kool shading language）
2022-09	新 UI 框架 ui2 合併（PR #19）
2023-04	場景編輯器的第一個概念驗證
2023-12-13	v0.13.0：Compute shader（第一部分）、桌面 OpenGL 與 WebGL 共用渲染後端
2024-03-24	v0.14.0：全新 WebGPU 渲染器；舊 Vulkan 支援暫時 停用
2024-06-29	v0.15.0：以編輯器為主（新專案資料模型、物理、角 色支援）
2024-07	GitHub 組織 kool-engine 建立（7/18），專案由 fabmax/kool 移至 kool-engine/kool（舊網址目前會轉址）
2025-01-06	v0.16.0：大量編輯器改進，PhysX 5.5
2025-03-27	v0.17.0：重寫的 Vulkan 後端（同時帶來 macOS 支>援）、KSL 支援 struct、反向深度成為預設
2025-09-28	v0.18.0：遊戲邏輯／渲染多執行緒、實驗性桌面 WebGPU（wgpu4k）、Swing 視窗後端
2025-12-21	v0.19.0（目前最新正式版）：Android 物理、Box2D 2D 物理預覽、UI 的 LaunchedEffect 與動畫改進

註：v0.13.0 之後的日期為 GitHub Release 發布時間（已換算為台北時間）；更早的版本在 GitHub 上沒有 Release 頁面，以 git tag／commit 日期為準。Maven Central 上可查到的 kool-core 版本從 0.7.0 開始。

🔁 一個有趣的細節：Vulkan 的「來了又走，走了又來」

kool 早在 2019 年就做過 Vulkan 實驗，但 v0.14.0 的發布說明寫著 Vulkan 支援「暫時停用」；直到 v0.17.0 才以全新的 Vulkan 後端回歸。commit 紀錄顯示，新 Vulkan 後端的架構參考了為 WebGPU 後端設計的架構（2025 年 1 月：「adopting wgpu backend architecture for vulkan backend」）—— 這正好說明了 WebGPU 與 Vulkan 這兩代 API 在設計理念上的親緣關係。

四、社群：一人主導，但不孤單

以 2026 年 10 月 19 日查詢 GitHub API 的結果，kool 擁有約 592 顆星、51 個 fork， 貢獻者頁面列出約 15 位帳號（含 dependabot 機器人）。採用 Apache 2.0 授權，套件發布在 Maven Central（de.fabmax.kool）。主分支共約 2,500 個 commit，其中絕大多數來自作者本人 —— 作者自己在 Roadmap 討論中坦言，這是一個業餘專案（pet project），進度取決於他有多少空閒時間。

但社群的身影確實存在：

• 桌面 WebGPU 後端使用 wgpu4k，v0.18.0 發布 說明特別感謝其作者 @ygdrasil-io 的協助。
• 主分支上的新模組 kool-compose-ui（2026 年 1 月加入）由社群貢獻者提交，讓開發者能用 Jetpack Compose runtime 在 kool 裡寫 UI。
• v0.19.0 的 UI 改進也感謝了社群貢獻者 @bat1set。
• 交流管道：官方 Discord 伺服器與 GitHub Discussions。

用 kool 打造的作品：

• 作者本人的免費遊戲 Blocks and Belts（itch.io）。
• Ayfri/voxel-game：用 kool 寫的體素遊戲 。
• wildware-uk/Udea：結合 kool 與 ECS 函式庫 Fleks 的遊戲引擎。
• GitHub 使用者 4lfg24 的 Kooler-Demos、kool-pong-tutorial 等練習專案。

⚠️ 誠實說：文件是弱項

README 自己寫著「documentation is still a bit of a weak spot」（文件仍是一個弱點）。GitHub 上也有使用者開 issue（#130）表示因缺乏 KDoc 而難以上手，作者回覆「有在計畫，但工作量很大」。目前我們沒有找到成體系的第三方教學；入門主要靠 README 範例、kool-templates 範本專案，以及 kool-demo 子專案的原始碼。

五、優點與限制

👍 優點 真正的 Kotlin Multiplatform：一份共用程式碼涵蓋桌面、Android、瀏覽器 KSL 免去多套著色器的維護 同時支援 Vulkan、WebGPU 等現代 API，且有 OpenGL / WebGL 後備 PBR、延遲著色、PhysX、glTF、UI 一應俱全 線上 Demo 豐富，原始碼即範例 Apache 2.0 授權，持續有新 commit

👎 限制 文件少、教學稀缺，學習曲線靠讀原始碼 高度依賴單一作者的業餘時間，無時程保證 仍在 0.x，API 會變動（主分支已有棄用與大型重構） 編輯器仍屬早期，issue 中有數個編輯器錯誤回報 無 iOS 目標；Android 目標預設關閉，Demo 未建置於 Android 部分 Demo 僅支援 WebGPU；桌面 WebGPU 後端需 Java 22

和其他方案比一比

方案	主要語言	定位	與 kool 的差異
kool	Kotlin	程式碼優先的 3D 引擎	—（基準）
libGDX	Java（可用 Kotlin）	成熟的跨平台遊戲框架	社群與資源多得多、支援 iOS；以 OpenGL 系為主
KorGE	Kotlin	Kotlin 多平台遊戲引擎	同為 Kotlin，但偏重 2D；kool 偏重 3D 與現代渲染
Godot	GDScript / C#（引擎 C++）	編輯器優先 的完整引擎	編輯器與生態遠為成熟；不是 JVM / Kotlin 生態
Bevy	Rust	ECS 架構、程式碼優先	理念相近（基於 wgpu、跨原生與網頁），但屬 Rust 生態
Three.js / Babylon.js	JavaScript / TypeScript	網頁 3D 函式庫／引擎	網頁端生態最大；kool 的優勢在於同一份 Kotlin 程式碼也能跑在 JVM 與 Android

表格為概略定位比較，非效能評測。

六、未來往哪走 ？

✅ 事實：作者在 Roadmap issue（#190，2025 年 12 月）的回覆

作者表示因為是業餘專案，很難給出路線圖，也無法提供時程；但「非常粗略地說」接下來的方向包括：

• 進階 2D 物理（目前只提供 Box2D 功能的有限子集）
• 渲染器的品質與效能改進（特別提到 Vulkan 後端仍有很大的效能提升空間）
• 瀏覽器上的 Kotlin/WASM
• 在 JVM 上採用較新的 FFM（Foreign Function & Memory）功能，主要影響 2D / 3D 物理的原生綁定
• 重新投入編輯器開發

🔍 觀察：主分支（0.20.0-SNAPSHOT）上已經發生的事

• WASM 目標：2025 年 12 月底起有 WASM 版 Demo、WASM 上的 WebGPU 後端與 2D 物理。不過 README 指出，因大量 JS 互通呼叫，WASM 目前多半比 JS 版慢，仍建議使用純 JS 目標。
• 新的延遲著色管線：2026 年 5 月出現「deferred2」系列 commit（時間性濾波、螢幕空間反射、整合 AO / Bloom / 陰影），之後移入核心並用於車輛 Demo；2026 年 6 月舊的 DeferredPipeline 已標記為棄用。
• 新的 compute AO 管線（2026 年 4 月），WebGPU 後端需要 texture-formats-tier1 功能。
• SDL 視窗子系統：2026 年 5 月實作並在 commit 中「Promote SdlWindowSubsystem to default」，同時加入 SDL 手把支援與 Wayland 偵測。
• KSL 大型重構：2026 年 5 月以 Kotlin context parameters 重構 KSL。
• kool-compose-ui 模組：基於 Compose runtime，目前實作了部分元件。

🔮 推測（筆者個人解讀，非官方說法）

• 從主分支的累積變更（新 deferred 管線、SDL 預設、KSL 重構、舊 API 棄用）來看，下一個 0.20 版可能會是一次變動幅度較大的版本，升級 時需留意相容性。
• 隨著 Firefox 與 Safari 陸續預設開啟 WebGPU，「僅 WebGPU」的 Demo 能觸及的使用者應會增加，kool 在網頁端的 WebGPU 優先策略可能會越來越吃香。
• 官方 Compose 式 UI（ui2）與社群的 kool-compose-ui 並存，未來兩者如何定位，目前看不出明確結論。
• iOS / Metal 至今沒有實作；早在 2020 年的 issue #1 中，作者就提到著色器高度依賴生成的 GLSL 是一大障礙。KSL 的「多產生器」架構理論上為此留了一扇門，但目前沒有跡象顯示近期會動工。

結語：站在三十年肩膀上的一個人

從 SGI 的 OpenGL 到 W3C 的 WebGPU，圖形 API 的歷史是一部「越來越強、也越來越分裂」的歷史。kool 沒有試圖發明新的 GPU 標準，而是用 Kotlin 的語言能力，把這些分裂的標準重新縫合成一套共用的程式碼 —— 著色器用 KSL 一次寫好，物理用自製綁定讓 JVM 與瀏覽器擁有相同功能。

它還年輕（0.x）、文件不多、主要靠一個人撐著；但如果你是 Kotlin 開發者，想用熟悉的語言摸一摸 Vulkan 與 WebGPU 這些現代圖形 API，kool 是一個非常值得打開原始碼、跟著 Demo 一行行讀下去的專案。

🔗 延伸連結

• 原始碼：github.com/kool-engine/kool
• 官方網站：kool-engine.github.io
• 範本專案：kool-engine/kool-templates
• 網頁編輯器：kool-editor　｜　編輯器文件：docs/editor
• Release 列表：GitHub Releases　｜　Roadmap 討論：issue #190
• 物理綁定：physx-jni、physx-js-webidl
• WebGPU 規格：W3C WebGPU、WGSL　｜　Vulkan 規格（Khronos）

本文資料查核日期：2026 年 10 月 19 日（台北時間）。星數、版本等數字會隨時間變動；標示 「觀察」「推測」的段落為筆者依公開 commit 紀錄所做的解讀，並非官方路線圖。