استعلامات الاحتجاب في WebGL: اختبار الرؤية وتحسين الأداء

في عالم تطوير WebGL، يعد الأداء أمرًا بالغ الأهمية. يمكن للمشاهد المعقدة التي تحتوي على العديد من الكائنات أن ترهق وحدة معالجة الرسوميات (GPU) بسرعة، مما يؤدي إلى انخفاض معدل الإطارات وتجربة مستخدم سيئة. إحدى التقنيات القوية للتخفيف من هذا هي الإقصاء بالاحتجاب (occlusion culling)، حيث لا يتم تصيير الكائنات المخفية خلف كائنات أخرى، مما يوفر وقتًا ثمينًا للمعالجة. توفر استعلامات الاحتجاب في WebGL آلية لتحديد رؤية الكائنات بكفاءة، مما يتيح إمكانية الإقصاء الفعال بالاحتجاب.

ما هي استعلامات الاحتجاب في WebGL؟

استعلام الاحتجاب في WebGL هو ميزة تسمح لك بسؤال وحدة معالجة الرسوميات (GPU) عن عدد الشظايا (البكسلات) التي تم رسمها بواسطة مجموعة معينة من أوامر التصيير. في جوهرها، أنت تقدم استدعاءات رسم لكائن ما، وتخبرك وحدة معالجة الرسوميات ما إذا كانت أي من شظاياها قد اجتازت اختبار العمق وكانت مرئية بالفعل. يمكن بعد ذلك استخدام هذه المعلومات لتحديد ما إذا كان الكائن محجوبًا بواسطة كائنات أخرى في المشهد. إذا أعاد الاستعلام صفرًا (أو عددًا صغيرًا جدًا)، فهذا يعني أن الكائن كان محجوبًا تمامًا (أو في الغالب) ولا يحتاج إلى تصييره في الإطارات اللاحقة. تقلل هذه التقنية بشكل كبير من عبء عمل التصيير وتحسن الأداء، خاصة في المشاهد المعقدة.

كيف تعمل استعلامات الاحتجاب: نظرة عامة مبسطة

1. إنشاء كائن استعلام: تقوم أولاً بإنشاء كائن استعلام باستخدام gl.createQuery(). سيحتفظ هذا الكائن بنتائج استعلام الاحتجاب.
2. بدء الاستعلام: تبدأ الاستعلام باستخدام gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query). يحدد الهدف gl.ANY_SAMPLES_PASSED أننا مهتمون بمعرفة ما إذا كانت أي عينات (شظايا) قد اجتازت اختبار العمق. توجد أهداف أخرى، مثل gl.ANY_SAMPLES_PASSED_CONSERVATIVE (والذي يوفر نتيجة أكثر تحفظًا، وقد يتضمن نتائج إيجابية خاطئة لتحسين الأداء) و gl.SAMPLES_PASSED (والذي يحسب عدد العينات التي اجتازت اختبار العمق، وقد تم إهماله في WebGL2).
3. تصيير الكائن الذي قد يكون محجوبًا: بعد ذلك، تصدر استدعاءات الرسم للكائن الذي تريد اختبار رؤيته. عادة ما يكون هذا صندوقًا محيطًا مبسطًا أو تمثيلاً تقريبيًا للكائن. تصيير نسخة مبسطة يقلل من تأثير الأداء للاستعلام نفسه.
4. إنهاء الاستعلام: تنهي الاستعلام باستخدام gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED).
5. استرداد نتيجة الاستعلام: نتيجة الاستعلام ليست متاحة على الفور. تحتاج وحدة معالجة الرسوميات إلى وقت لمعالجة أوامر التصيير وتحديد عدد الشظايا التي مرت. يمكنك استرداد النتيجة باستخدام gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT).
6. تفسير النتيجة: إذا كانت نتيجة الاستعلام أكبر من صفر، فهذا يعني أن شظية واحدة على الأقل من الكائن كانت مرئية. إذا كانت النتيجة صفرًا، فهذا يعني أن الكائن كان محجوبًا تمامًا.
7. استخدام النتيجة للإقصاء بالاحتجاب: بناءً على نتيجة الاستعلام، يمكنك أن تقرر ما إذا كنت تريد تصيير الكائن الكامل والمفصل في الإطارات اللاحقة.

فوائد استخدام استعلامات الاحتجاب

• تحسين أداء التصيير: من خلال تجنب تصيير الكائنات المحجوبة، يمكن لاستعلامات الاحتجاب أن تقلل بشكل كبير من عبء عمل التصيير، مما يؤدي إلى معدلات إطارات أعلى وتجربة مستخدم أكثر سلاسة.
• تقليل الحمل على وحدة معالجة الرسوميات: قلة التصيير تعني عملًا أقل لوحدة معالجة الرسوميات، مما يمكن أن يحسن عمر البطارية على الأجهزة المحمولة ويقلل من توليد الحرارة على أجهزة الكمبيوتر المكتبية.
• تعزيز الدقة البصرية: من خلال تحسين أداء التصيير، يمكنك تحمل تكلفة تصيير مشاهد أكثر تعقيدًا بتفاصيل أكبر دون التضحية بمعدل الإطارات.
• قابلية التوسع: تعتبر استعلامات الاحتجاب مفيدة بشكل خاص للمشاهد المعقدة التي تحتوي على عدد كبير من الكائنات، حيث تزداد مكاسب الأداء مع زيادة تعقيد المشهد.

التحديات والاعتبارات

بينما توفر استعلامات الاحتجاب فوائد كبيرة، هناك أيضًا بعض التحديات والاعتبارات التي يجب أخذها في الحسبان:

• الكمون (Latency): تقدم استعلامات الاحتجاب كمونًا لأن نتيجة الاستعلام ليست متاحة على الفور. تحتاج وحدة معالجة الرسوميات إلى وقت لمعالجة أوامر التصيير وتحديد عدد الشظايا التي مرت. يمكن أن يؤدي هذا الكمون إلى تشوهات بصرية إذا لم يتم التعامل معه بعناية.
• الحمل الإضافي للاستعلام (Query Overhead): يتكبد إجراء استعلامات الاحتجاب أيضًا قدرًا معينًا من الحمل الإضافي. تحتاج وحدة معالجة الرسوميات إلى تتبع حالة الاستعلام وحساب الشظايا التي تجتاز اختبار العمق. يمكن لهذا الحمل الإضافي أن يلغي فوائد الأداء إذا لم يتم استخدام الاستعلامات بحكمة.
• الاحتجاب المحافظ: لتقليل تأثير الكمون، غالبًا ما يكون من المرغوب فيه استخدام الاحتجاب المحافظ، حيث تعتبر الكائنات مرئية حتى لو كان عدد قليل فقط من الشظايا مرئيًا. قد يؤدي هذا إلى تصيير كائنات محجوبة جزئيًا، ولكنه يتجنب التشوهات البصرية التي يمكن أن تحدث مع الإقصاء العدواني بالاحتجاب.
• اختيار المجلد المحيط (Bounding Volume): يمكن أن يؤثر اختيار المجلد المحيط (مثل الصندوق المحيط، الكرة المحيطة) لاستعلام الاحتجاب بشكل كبير على الأداء. المجلدات المحيطة الأبسط أسرع في التصيير ولكنها قد تؤدي إلى المزيد من النتائج الإيجابية الخاطئة (أي الكائنات التي تعتبر مرئية على الرغم من أنها محجوبة في الغالب).
• المزامنة: يتطلب استرداد نتيجة الاستعلام مزامنة بين وحدة المعالجة المركزية (CPU) ووحدة معالجة الرسوميات (GPU). يمكن أن تؤدي هذه المزامنة إلى توقفات في خط أنابيب التصيير، مما قد يؤثر سلبًا على الأداء.
• توافق المتصفح والأجهزة: تأكد من أن المتصفحات والأجهزة المستهدفة تدعم استعلامات الاحتجاب. على الرغم من أنها مدعومة على نطاق واسع، إلا أن الأنظمة القديمة قد تفتقر إلى هذه الميزة، مما يتطلب آليات بديلة.

أفضل الممارسات لاستخدام استعلامات الاحتجاب في WebGL

لتحقيق أقصى استفادة من استعلامات الاحتجاب وتقليل التحديات، ضع في اعتبارك أفضل الممارسات التالية:

1. استخدام مجلدات إحاطة مبسطة

بدلاً من تصيير الكائن الكامل والمفصل لاستعلام الاحتجاب، قم بتصيير مجلد إحاطة مبسط، مثل صندوق محيط أو كرة محيطة. هذا يقلل من عبء عمل التصيير ويسرع عملية الاستعلام. يجب أن يحيط المجلد المحيط بالكائن بإحكام لتقليل النتائج الإيجابية الخاطئة.

مثال: تخيل نموذجًا ثلاثي الأبعاد معقدًا لسيارة. بدلاً من تصيير نموذج السيارة بالكامل لاستعلام الاحتجاب، يمكنك تصيير صندوق محيط بسيط يغلف السيارة. سيكون هذا الصندوق المحيط أسرع بكثير في التصيير من نموذج السيارة الكامل.

2. استخدام الإقصاء الاحتجابي الهرمي

للمشاهد المعقدة، فكر في استخدام الإقصاء الاحتجابي الهرمي، حيث تنظم الكائنات في تسلسل هرمي من المجلدات المحيطة. يمكنك بعد ذلك إجراء استعلامات الاحتجاب على المجلدات المحيطة ذات المستوى الأعلى أولاً. إذا كان مجلد محيط من مستوى أعلى محجوبًا، فيمكنك تجنب إجراء استعلامات الاحتجاب على أبنائه. يمكن أن يقلل هذا بشكل كبير من عدد استعلامات الاحتجاب المطلوبة.

مثال: تخيل مشهدًا لمدينة. يمكنك تنظيم المباني في كتل، ثم تنظيم الكتل في أحياء. يمكنك بعد ذلك إجراء استعلامات الاحتجاب على الأحياء أولاً. إذا كان حي ما محجوبًا، فيمكنك تجنب إجراء استعلامات الاحتجاب على الكتل والمباني الفردية داخل ذلك الحي.

3. استغلال تماسك الإطارات

تظهر استعلامات الاحتجاب تماسكًا بين الإطارات، مما يعني أن رؤية كائن ما من المرجح أن تكون متشابهة من إطار إلى آخر. يمكنك استغلال هذا التماسك عن طريق تخزين نتائج الاستعلام مؤقتًا واستخدامها للتنبؤ برؤية الكائنات في الإطارات اللاحقة. يمكن أن يقلل هذا من عدد استعلامات الاحتجاب المطلوبة ويحسن الأداء.

مثال: إذا كان كائن ما مرئيًا في الإطار السابق، فيمكنك افتراض أنه من المحتمل أن يكون مرئيًا في الإطار الحالي. يمكنك بعد ذلك تأخير إجراء استعلام احتجاب على هذا الكائن حتى يصبح من المحتمل أن يكون محجوبًا (على سبيل المثال، إذا تحرك خلف كائن آخر).

4. التفكير في استخدام الاحتجاب المحافظ

لتقليل تأثير الكمون، فكر في استخدام الاحتجاب المحافظ، حيث تعتبر الكائنات مرئية حتى لو كان عدد قليل فقط من الشظايا مرئيًا. يمكن تحقيق ذلك عن طريق تعيين عتبة على نتيجة الاستعلام. إذا كانت نتيجة الاستعلام أعلى من العتبة، يعتبر الكائن مرئيًا. وإلا، فإنه يعتبر محجوبًا.

مثال: يمكنك تعيين عتبة قدرها 10 شظايا. إذا كانت نتيجة الاستعلام أكبر من 10، يعتبر الكائن مرئيًا. وإلا، فإنه يعتبر محجوبًا. ستعتمد العتبة المناسبة على حجم وتعقيد الكائنات في المشهد الخاص بك.

5. تنفيذ آلية احتياطية

لا تدعم جميع المتصفحات والأجهزة استعلامات الاحتجاب. من المهم تنفيذ آلية احتياطية يمكن استخدامها عندما لا تكون استعلامات الاحتجاب متاحة. قد يتضمن ذلك استخدام خوارزمية إقصاء احتجابي أبسط أو ببساطة تعطيل الإقصاء الاحتجابي تمامًا.

مثال: يمكنك التحقق مما إذا كان امتداد EXT_occlusion_query_boolean مدعومًا. إذا لم يكن كذلك، فيمكنك الرجوع إلى استخدام خوارزمية إقصاء بسيطة تعتمد على المسافة، حيث لا يتم تصيير الكائنات البعيدة جدًا عن الكاميرا.

6. تحسين خط أنابيب التصيير

استعلامات الاحتجاب هي مجرد قطعة واحدة من اللغز عندما يتعلق الأمر بتحسين أداء التصيير. من المهم أيضًا تحسين بقية خط أنابيب التصيير، بما في ذلك:

• تقليل عدد استدعاءات الرسم: يمكن أن يؤدي تجميع استدعاءات الرسم إلى تقليل الحمل الإضافي للتصيير بشكل كبير.
• استخدام المظللات (shaders) الفعالة: يمكن أن يؤدي تحسين المظللات إلى تقليل مقدار الوقت المستغرق في معالجة كل رأس وشظية.
• استخدام mipmapping: يمكن أن يحسن Mipmapping أداء ترشيح النسيج.
• تقليل الرسم الزائد (overdraw): يحدث الرسم الزائد عندما يتم رسم الشظايا فوق بعضها البعض، مما يهدر وقت المعالجة.
• استخدام النسخ (instancing): يسمح لك النسخ بتصيير نسخ متعددة من نفس الكائن باستدعاء رسم واحد.

7. استرجاع نتائج الاستعلام بشكل غير متزامن

يمكن أن يتسبب استرداد نتيجة الاستعلام في توقفات إذا لم تنتهِ وحدة معالجة الرسوميات من معالجة الاستعلام. يمكن أن يساعد استخدام آليات الاسترداد غير المتزامنة، إذا كانت متاحة، في التخفيف من ذلك. قد تتضمن التقنيات انتظار عدد معين من الإطارات قبل استرداد النتيجة أو استخدام خيوط عاملة مخصصة للتعامل مع عملية استرداد الاستعلام، مما يمنع حظر خيط التصيير الرئيسي.

مثال برمجي: تنفيذ أساسي لاستعلام الاحتجاب

فيما يلي مثال مبسط يوضح الاستخدام الأساسي لاستعلامات الاحتجاب في WebGL:

// إنشاء كائن استعلام const query = gl.createQuery(); // بدء الاستعلام gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query); // تصيير الكائن (على سبيل المثال، صندوق محيط) gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, vertexCount); // إنهاء الاستعلام gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED); // استرداد نتيجة الاستعلام بشكل غير متزامن (مثال باستخدام requestAnimationFrame) function checkQueryResult() { gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT_AVAILABLE, (available) => { if (available) { gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT, (result) => { const isVisible = result > 0; // استخدم نتيجة الرؤية لتقرر ما إذا كنت تريد تصيير الكائن الكامل if (isVisible) { renderFullObject(); } }); } else { requestAnimationFrame(checkQueryResult); } }); } requestAnimationFrame(checkQueryResult);

ملاحظة: هذا مثال مبسط ولا يتضمن معالجة الأخطاء، أو الإدارة السليمة للموارد، أو تقنيات التحسين المتقدمة. تذكر تكييف هذا مع المشهد والمتطلبات الخاصة بك. تعد معالجة الأخطاء، خاصة حول دعم الامتدادات وتوافر الاستعلام، أمرًا بالغ الأهمية في بيئات الإنتاج. كما ستحتاج التعديلات للتعامل مع السيناريوهات المحتملة المختلفة إلى دراسة.

استعلامات الاحتجاب في تطبيقات العالم الحقيقي

تستخدم استعلامات الاحتجاب في مجموعة واسعة من تطبيقات العالم الحقيقي، بما في ذلك:

• تطوير الألعاب: يعد الإقصاء بالاحتجاب تقنية حاسمة لتحسين أداء التصيير في الألعاب، خاصة في المشاهد المعقدة التي تحتوي على العديد من الكائنات. تشمل الأمثلة عناوين AAA التي يتم تصييرها في متصفح باستخدام WebAssembly و WebGL، بالإضافة إلى الألعاب العادية المستندة إلى الويب ذات البيئات التفصيلية.
• التصور المعماري: يمكن استخدام استعلامات الاحتجاب لتحسين أداء التصورات المعمارية، مما يسمح للمستخدمين باستكشاف نماذج مبانٍ كبيرة ومفصلة في الوقت الفعلي. تخيل استكشاف متحف افتراضي به معروضات لا حصر لها - يضمن الإقصاء بالاحتجاب التنقل السلس.
• نظم المعلومات الجغرافية (GIS): يمكن استخدام استعلامات الاحتجاب لتحسين تصيير مجموعات البيانات الجغرافية الكبيرة والمعقدة، مثل المدن والمناظر الطبيعية. على سبيل المثال، يمكن أن يستفيد عرض النماذج ثلاثية الأبعاد لمناظر المدن داخل متصفح الويب لمحاكاة التخطيط الحضري بشكل كبير من الإقصاء بالاحتجاب.
• التصوير الطبي: يمكن استخدام استعلامات الاحتجاب لتحسين أداء تطبيقات التصوير الطبي، مما يسمح للأطباء بتصور الهياكل التشريحية المعقدة في الوقت الفعلي.
• التجارة الإلكترونية: بالنسبة للمواقع التي تقدم نماذج ثلاثية الأبعاد للمنتجات، يمكن أن تساعد استعلامات الاحتجاب في تقليل الحمل على وحدة معالجة الرسوميات، مما يضمن تجربة أكثر سلاسة حتى على الأجهزة الأقل قوة. فكر في عرض نموذج ثلاثي الأبعاد لقطعة أثاث معقدة على جهاز محمول؛ يمكن أن يساعد الإقصاء بالاحتجاب في الحفاظ على معدل إطارات معقول.

الخاتمة

تعد استعلامات الاحتجاب في WebGL أداة قوية لتحسين أداء التصيير وتحسين تجربة المستخدم في تطبيقات الويب. من خلال إقصاء الكائنات المحجوبة بشكل فعال، يمكنك تقليل عبء عمل التصيير، وتحسين معدلات الإطارات، وتمكين مشاهد أكثر تعقيدًا وتفصيلاً. على الرغم من وجود تحديات يجب مراعاتها، مثل الكمون والحمل الإضافي للاستعلام، فإن اتباع أفضل الممارسات والنظر بعناية في الاحتياجات المحددة لتطبيقك يمكن أن يطلق العنان للإمكانات الكاملة لاستعلامات الاحتجاب. من خلال إتقان هذه التقنيات، يمكن للمطورين في جميع أنحاء العالم تقديم تجارب ثلاثية الأبعاد أكثر ثراءً وغامرة وأداءً على الويب.

مصادر إضافية

• مواصفات WebGL: ارجع إلى مواصفات WebGL الرسمية للحصول على أحدث المعلومات حول استعلامات الاحتجاب.
• مجموعة Khronos: استكشف موقع مجموعة Khronos للحصول على موارد تتعلق بـ WebGL و OpenGL ES.
• البرامج التعليمية والمقالات عبر الإنترنت: ابحث عن البرامج التعليمية والمقالات عبر الإنترنت حول استعلامات الاحتجاب في WebGL للحصول على أمثلة عملية وتقنيات متقدمة.
• عروض WebGL التجريبية: افحص عروض WebGL التجريبية الحالية التي تستخدم استعلامات الاحتجاب للتعلم من التطبيقات الواقعية.