تكوين تظليل المعدل المتغير في WebGL: إعداد ضبط الجودة

يعد تظليل المعدل المتغير (VRS) تقنية قوية تتيح للمطورين تقليل معدل التظليل بشكل انتقائي في مناطق معينة من الصورة المعروضة. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تحسين الأداء بشكل كبير، خاصة على الأجهزة المحمولة والأجهزة ذات المواصفات المنخفضة، دون انخفاض حاد في الجودة البصرية. ومع ذلك، فإن تكوين VRS بشكل صحيح وضمان جودة بصرية متسقة عبر مختلف الأجهزة والمتصفحات يتطلب إعدادًا قويًا لضبط الجودة. يقدم هذا المقال دليلاً شاملاً لإعداد مثل هذا النظام لـ WebGL.

فهم تظليل المعدل المتغير في WebGL

قبل الخوض في ضبط الجودة، من الضروري فهم أساسيات VRS في WebGL. يعرض WebGL2 ملحق EXT_fragment_shading_rate، الذي يسمح للمطورين بالتحكم في عدد وحدات البكسل التي تتم معالجتها بواسطة استدعاء واحد لمُظلل الأجزاء (fragment shader). من خلال تقليل معدل التظليل في المناطق التي تكون فيها التفاصيل أقل أهمية (مثل الكائنات البعيدة والمناطق الضبابية)، يمكننا تقليل عبء العمل على وحدة معالجة الرسومات (GPU)، مما يحسن الأداء واستهلاك الطاقة.

المفهوم الأساسي هنا هو أنه ليست كل وحدات البكسل متساوية. تتطلب بعض وحدات البكسل تظليلاً أكثر دقة من غيرها. يتيح لنا VRS تخصيص موارد وحدة معالجة الرسومات بذكاء حيثما تكون أكثر أهمية، مما يؤدي إلى خط أنابيب تصيير أكثر كفاءة.

المفاهيم والمصطلحات الرئيسية

• معدل تظليل الأجزاء (Fragment Shading Rate): عدد وحدات البكسل التي تتم معالجتها بواسطة استدعاء واحد لمُظلل الأجزاء. يعني المعدل الأقل عددًا أقل من استدعاءات المُظلل.
• عمليات دمج معدل التظليل (Shading Rate Combiner Operations): عمليات تجمع بين معدلات تظليل مختلفة من مصادر مختلفة (مثل، الشكل الأولي، النسيج، منفذ العرض).
• مرفق معدل تظليل الأجزاء (Fragment Shading Rate Attachment): مرفق نسيج يخزن معلومات معدل التظليل لكل بكسل.
• البكسل الخشن (Coarse Pixel): كتلة من وحدات البكسل يتم تظليلها بواسطة استدعاء واحد لمُظلل الأجزاء عند استخدام معدل تظليل منخفض.

اعتبارات الأجهزة

يختلف دعم VRS بشكل كبير عبر مختلف الأجهزة والمتصفحات. لا تدعم جميع وحدات معالجة الرسومات VRS، وحتى تلك التي تدعمها قد يكون لها قدرات وقيود مختلفة. لذلك، فإن الخطوة الأولى الحاسمة في إعداد نظام ضبط الجودة هي فهم مشهد الأجهزة.

دعم وحدة معالجة الرسومات (GPU)

ستحتاج إلى تحديد وحدات معالجة الرسومات التي تدعم ملحق EXT_fragment_shading_rate. يمكن القيام بذلك من خلال الاستعلام عن ملحقات WebGL:

            const ext = gl.getExtension('EXT_fragment_shading_rate');
if (ext) {
  console.log('VRS is supported!');
} else {
  console.warn('VRS is not supported on this device.');
}

            

              
                Copy
              
            
          

ومع ذلك، فإن مجرد التحقق من دعم الملحق لا يكفي. تحتاج أيضًا إلى مراعاة:

• الحد الأقصى لمعدل التظليل: الحد الأقصى لمعدل التظليل الذي تدعمه وحدة معالجة الرسومات. قد تدعم بعض وحدات معالجة الرسومات 1x2 أو 2x1 فقط، بينما تدعم أخرى 2x2 أو حتى 4x4.
• دقة معدل التظليل (Shading Rate Granularity): حجم كتلة البكسل الخشن. قد يكون لدى بعض وحدات معالجة الرسومات حد أدنى لحجم الكتلة يبلغ 2x2، حتى لو طلبت معدلاً أصغر.
• خصائص الأداء: يمكن أن يختلف تأثير الأداء لمعدلات التظليل المختلفة بشكل كبير اعتمادًا على بنية وحدة معالجة الرسومات وتعقيد مُظلل الأجزاء.

دعم المتصفح

دعم المتصفح لملحق EXT_fragment_shading_rate أمر بالغ الأهمية أيضًا. تحقق من مخططات توافق المتصفح وفكر في استخدام اكتشاف الميزات للتأكد من توفر VRS قبل تمكينه. قد تنفذ المتصفحات المختلفة الملحق بمستويات متفاوتة من التحسين، مما قد يؤثر على الأداء والجودة البصرية.

مثال: تخيل سيناريو تقوم فيه بتطوير لعبة WebGL تستهدف كل من منصات سطح المكتب والجوال. من المرجح أن تدعم وحدات معالجة الرسومات المكتبية معدلات تظليل أعلى ودقة أكبر من وحدات معالجة الرسومات المحمولة. يحتاج نظام ضبط الجودة الخاص بك إلى مراعاة هذه الاختلافات والتأكد من أن اللعبة تبدو وتعمل بشكل جيد على كلا النوعين من الأجهزة.

إعداد خط أنابيب ضبط الجودة

يعد خط أنابيب ضبط الجودة القوي ضروريًا لضمان تنفيذ VRS بشكل صحيح وأنه لا يقدم أي عيوب بصرية غير مرغوب فيها. يجب أن يتضمن خط الأنابيب المكونات التالية:

1. تطوير مشاهد الاختبار

أنشئ سلسلة من مشاهد الاختبار التي تستهدف VRS على وجه التحديد. يجب أن تتضمن هذه المشاهد ما يلي:

• مشاهد ذات مستويات متفاوتة من التفاصيل: قم بتضمين مشاهد تحتوي على أنسجة عالية التردد، وهندسة معقدة، ومناطق ذات تدرجات لونية ناعمة.
• مشاهد بظروف إضاءة مختلفة: اختبر VRS في سيناريوهات إضاءة مختلفة، بما في ذلك ضوء الشمس الساطع والظلال والانعكاسات اللامعة.
• مشاهد بها حركة: قم بتضمين مشاهد بها كائنات متحركة وحركة كاميرا لتقييم الاستقرار الزمني لـ VRS.

يجب تصميم مشاهد الاختبار هذه للكشف عن المشكلات المحتملة المتعلقة بـ VRS، مثل:

• التعرج (Aliasing): يمكن أن تؤدي معدلات التظليل المنخفضة إلى تفاقم عيوب التعرج، خاصة على طول الحواف وفي المناطق ذات التباين العالي.
• عيوب التظليل: يمكن أن تؤدي التغييرات المفاجئة في معدل التظليل إلى ظهور انقطاعات مرئية في الصورة المعروضة.
• مشاكل الأداء: يمكن أن يؤدي تكوين VRS بشكل غير صحيح إلى تدهور الأداء بدلاً من تحسينه.

مثال: يمكن أن يتضمن مشهد اختبار للعبة سباق مسارًا به أنسجة مفصلة، وانعكاسات لامعة على السيارات، وضبابية الحركة. يجب اختبار تكوين VRS بسرعات مختلفة وفي ظروف جوية مختلفة لضمان بقاء الجودة البصرية مقبولة.

2. الاختبار الآلي

يعد الاختبار الآلي أمرًا بالغ الأهمية لضمان جودة بصرية متسقة عبر مختلف الأجهزة والمتصفحات. يتضمن ذلك تشغيل مشاهد الاختبار على مجموعة متنوعة من الأجهزة ومقارنة المخرجات المعروضة تلقائيًا بمجموعة من الصور المرجعية.

إليك كيفية إعداد نظام اختبار آلي:

• التقاط الصور المرجعية: قم بتصيير مشاهد الاختبار بتكوين VRS جيد ومعروف (أو بدون VRS) على جهاز مرجعي والتقط المخرجات كصور مرجعية.
• تشغيل الاختبارات على الأجهزة المستهدفة: قم بتشغيل مشاهد الاختبار على الأجهزة المستهدفة مع تكوين VRS الذي يتم اختباره.
• مقارنة الصور: قارن المخرجات المعروضة بالصور المرجعية باستخدام خوارزمية مقارنة الصور.
• إعداد التقارير: قم بإنشاء تقرير يوضح ما إذا كان الاختبار قد نجح أم فشل، وقدم تفاصيل حول أي اختلافات بصرية تم اكتشافها.

خوارزميات مقارنة الصور:

يمكن استخدام العديد من خوارزميات مقارنة الصور للاختبار الآلي، بما في ذلك:

• فرق البكسل (Pixel Difference): يقارن قيم الألوان لكل بكسل في الصورتين. هذه هي أبسط خوارزمية، لكنها أيضًا الأكثر حساسية للاختلافات الطفيفة.
• مؤشر التشابه الهيكلي (SSIM): خوارزمية أكثر تطورًا تأخذ في الاعتبار التشابه الهيكلي بين الصورتين. SSIM أقل حساسية للاختلافات الطفيفة ويعتبر بشكل عام مقياسًا أفضل للتشابه الإدراكي.
• التجزئة الإدراكية (pHash): تحسب قيمة تجزئة لكل صورة وتقارن قيم التجزئة. pHash قوي ضد الاختلافات الطفيفة ويمكنه اكتشاف الاختلافات الكبيرة حتى لو كانت الصور مشوهة قليلاً.

مثال: يمكنك استخدام متصفح بدون واجهة رسومية مثل Puppeteer أو Playwright لأتمتة عملية الاختبار. تتيح لك هذه الأدوات تشغيل متصفح برمجيًا، والانتقال إلى تطبيق WebGL الخاص بك، وتشغيل مشاهد الاختبار، والتقاط المخرجات المعروضة. يمكنك بعد ذلك استخدام مكتبة JavaScript مثل `pixelmatch` أو `ssim.js` لمقارنة المخرجات المعروضة بالصور المرجعية.

            // Example using Puppeteer and pixelmatch
const puppeteer = require('puppeteer');
const pixelmatch = require('pixelmatch');
const fs = require('fs');

async function runTest(url, referenceImage, outputImage) {
  const browser = await puppeteer.launch();
  const page = await browser.newPage();
  await page.goto(url);
  await page.waitForTimeout(5000); // Allow time for rendering
  await page.screenshot({ path: outputImage });
  await browser.close();

  const img1 = fs.readFileSync(referenceImage);
  const img2 = fs.readFileSync(outputImage);
  const width = 1024; // Replace with actual width
  const height = 768; // Replace with actual height
  const diff = new Uint8Array(width * height * 4);

  const numDiffPixels = pixelmatch(img1, img2, diff, width, height, { threshold: 0.1 });

  fs.writeFileSync('diff.png', Buffer.from(diff));

  console.log('Number of different pixels:', numDiffPixels);

  return numDiffPixels === 0; // Test passes if no pixels are different
}

            

              
                Copy
              
            
          

3. الفحص البصري

على الرغم من أن الاختبار الآلي ضروري، إلا أنه لا ينبغي أن يكون الشكل الوحيد لضبط الجودة. يعد الفحص البصري من قبل مهندسي رسومات ذوي خبرة أمرًا بالغ الأهمية أيضًا لتحديد العيوب البصرية الدقيقة التي قد لا تكتشفها الاختبارات الآلية. هذا مهم بشكل خاص عند تقييم التأثير الإدراكي لـ VRS.

أثناء الفحص البصري، يجب على المهندسين البحث عن:

• عيوب التعرج: حواف متعرجة، أنسجة متلألئة.
• انقطاعات التظليل: فواصل أو درجات مرئية في التظليل.
• عدم الاستقرار الزمني: عيوب الوميض أو الظهور المفاجئ أثناء الحركة.
• الجودة البصرية الإجمالية: تقييم ذاتي للدقة البصرية مقارنة بصورة مرجعية أو بتطبيق لا يستخدم VRS.

مثال: قد يقوم مهندس رسومات بفحص مشهد به سطح عاكس بصريًا للبحث عن أي عيوب في الانعكاسات اللامعة ناتجة عن VRS. قد يقارن أيضًا أداء المشهد مع وبدون VRS للتأكد من أن مكاسب الأداء تستحق التنازلات البصرية المحتملة.

4. مراقبة الأداء

يهدف VRS إلى تحسين الأداء، لذا من الضروري مراقبة مقاييس الأداء للتأكد من أنه يحقق التأثير المطلوب بالفعل. استخدم أدوات تحليل WebGL وأدوات مطوري المتصفح لقياس:

• معدل الإطارات (Frame Rate): قم بقياس عدد الإطارات المعروضة في الثانية (FPS).
• وقت وحدة معالجة الرسومات (GPU Time): قم بقياس الوقت المستغرق على وحدة معالجة الرسومات لتصيير كل إطار.
• وقت تجميع المُظلل (Shader Compilation Time): راقب أوقات تجميع المُظلل، حيث قد تتطلب تكوينات VRS متغيرات مختلفة من المُظلل.

قارن مقاييس الأداء مع وبدون VRS لتحديد مكاسب الأداء كميًا. راقب أيضًا الأداء عبر مختلف الأجهزة والمتصفحات لتحديد أي اختناقات في الأداء أو عدم اتساق.

مثال: يمكنك استخدام علامة التبويب Performance في Chrome DevTools لتسجيل ملف تعريف أداء لتطبيق WebGL الخاص بك مع وبدون VRS. سيسمح لك هذا بتحديد أي اختناقات في الأداء وقياس تأثير VRS على وقت وحدة معالجة الرسومات ومعدل الإطارات.

5. ملاحظات المستخدمين

يمكن أن يوفر جمع الملاحظات من المستخدمين رؤى قيمة حول التأثير الحقيقي لـ VRS. يمكن القيام بذلك من خلال برامج الاختبار التجريبية (beta)، أو الاستطلاعات، أو من خلال مراقبة مراجعات المستخدمين ومناقشات المنتديات.

اطلب من المستخدمين تقديم ملاحظات حول:

• الجودة البصرية: هل يلاحظون أي عيوب بصرية أو تدهور في الجودة البصرية؟
• الأداء: هل يواجهون أي تحسينات في الأداء أو تباطؤ؟
• التجربة العامة: هل هم راضون عن التجربة البصرية والأداء العام للتطبيق؟

استخدم هذه الملاحظات لتحسين تكوين VRS الخاص بك وتحديد أي مشكلات قد لا تكون قد تم اكتشافها أثناء الاختبار الآلي أو الفحص البصري.

استراتيجيات تكوين VRS

يعتمد تكوين VRS الأمثل على التطبيق المحدد والأجهزة المستهدفة. إليك بعض الاستراتيجيات الشائعة:

التظليل المدرك للمحتوى

اضبط معدل التظليل ديناميكيًا بناءً على المحتوى الذي يتم تصييره. على سبيل المثال، قلل معدل التظليل في المناطق ذات التفاصيل المنخفضة، مثل الكائنات البعيدة أو الخلفيات الضبابية، وزد معدل التظليل في المناطق ذات التفاصيل العالية، مثل الكائنات الأمامية أو المناطق ذات الحواف الحادة.

يمكن تحقيق ذلك باستخدام تقنيات مختلفة، مثل:

• VRS القائم على العمق: قلل معدل التظليل بناءً على مسافة الكائن من الكاميرا.
• VRS القائم على الحركة: قلل معدل التظليل في المناطق ذات الحركة العالية، حيث أن العين البشرية أقل حساسية للتفاصيل في الكائنات المتحركة.
• VRS القائم على النسيج: قلل معدل التظليل في المناطق ذات الأنسجة منخفضة التردد.

التظليل الموجه بالأداء

اضبط معدل التظليل بناءً على الأداء الحالي للتطبيق. إذا انخفض معدل الإطارات عن حد معين، فقلل معدل التظليل لتحسين الأداء. وعلى العكس، إذا كان معدل الإطارات مرتفعًا بما يكفي، فزد معدل التظليل لتحسين الجودة البصرية.

يمكن تنفيذ ذلك باستخدام حلقة تغذية راجعة تراقب معدل الإطارات وتضبط تكوين VRS ديناميكيًا.

التظليل المتدرج

أنشئ تكوينات VRS مختلفة لفئات مختلفة من الأجهزة. يمكن للأجهزة ذات المواصفات المنخفضة استخدام معدلات تظليل أكثر قوة لتحسين الأداء، بينما يمكن للأجهزة المتطورة استخدام معدلات تظليل أقل قوة لزيادة الجودة البصرية إلى أقصى حد.

يتطلب هذا تحديد قدرات الأجهزة وخصائص الأداء للأجهزة المستهدفة وإنشاء تكوينات VRS مخصصة لكل فئة.

أفضل الممارسات

إليك بعض أفضل الممارسات لتطبيق VRS في WebGL:

• ابدأ بنهج متحفظ: ابدأ باستخدام تخفيضات صغيرة في معدل التظليل وزد التخفيض تدريجيًا حتى تصل إلى مكاسب الأداء المطلوبة.
• أعطِ الأولوية للجودة البصرية: أعطِ الأولوية دائمًا للجودة البصرية على الأداء. تجنب استخدام معدلات تظليل قوية تؤدي إلى عيوب بصرية ملحوظة.
• اختبر جيدًا: اختبر تكوين VRS الخاص بك على مجموعة متنوعة من الأجهزة والمتصفحات لضمان جودة بصرية وأداء متسقين.
• استخدم أدوات التصحيح البصري: استخدم أدوات التصحيح البصري لتصور معدلات التظليل وتحديد أي مناطق يقدم فيها VRS عيوبًا.
• ضع في اعتبارك تفضيلات المستخدم: اسمح للمستخدمين بضبط إعدادات VRS لتناسب تفضيلاتهم وقدرات أجهزتهم.

الخاتمة

يعد تظليل المعدل المتغير أداة قوية لتحسين الأداء في تطبيقات WebGL. ومع ذلك، فإنه يتطلب تكوينًا دقيقًا ونظامًا قويًا لضبط الجودة لضمان عدم إدخال أي عيوب بصرية غير مرغوب فيها. باتباع الإرشادات وأفضل الممارسات الموضحة في هذا المقال، يمكنك تطبيق VRS بفعالية في تطبيقات WebGL الخاصة بك وتحقيق الأداء الأمثل والدقة البصرية عبر مجموعة واسعة من الأجهزة والمتصفحات.

تذكر أن مفتاح التنفيذ الناجح لـ VRS هو الاختبار المستمر والفحص البصري وملاحظات المستخدمين. من خلال المراقبة المستمرة لأداء وجودة تكوين VRS الخاص بك، يمكنك التأكد من أنه يقدم أفضل تجربة ممكنة لمستخدميك.

قراءات إضافية

• مواصفات ملحق WebGL EXT_fragment_shading_rate
• وثائق موردي وحدات معالجة الرسومات حول تظليل المعدل المتغير
• مقالات وعروض تقديمية حول تقنيات VRS