WebGL Occlusion Queries: Тестване на видимостта и оптимизация на производителността

В света на WebGL разработката, производителността е от първостепенно значение. Сложните сцени с многобройни обекти могат бързо да натоварят GPU-то, което води до загуба на кадри и лошо потребителско изживяване. Една мощна техника за смекчаване на този проблем е occlusion culling (отсяване на скрити обекти), при която обекти, скрити зад други, не се рендират, спестявайки ценно време за обработка. WebGL occlusion queries предоставят механизъм за ефективно определяне на видимостта на обектите, което позволява ефективно отсяване на скрити обекти.

Какво представляват WebGL Occlusion Queries?

WebGL occlusion query е функция, която ви позволява да попитате GPU-то колко фрагмента (пиксела) са били нарисувани от определен набор от команди за рендиране. По същество, вие подавате команди за рисуване на обект, а GPU-то ви казва дали някой от неговите фрагменти е преминал теста за дълбочина (depth test) и е бил действително видим. Тази информация може след това да се използва, за да се определи дали обектът е скрит от други обекти в сцената. Ако заявката върне нула (или много малко число), това означава, че обектът е бил напълно (или почти напълно) скрит и не е необходимо да се рендира в следващите кадри. Тази техника значително намалява натоварването при рендиране и подобрява производителността, особено в сложни сцени.

Как работят Occlusion Queries: Опростен преглед

1. Създайте Query обект: Първо създавате query обект, използвайки gl.createQuery(). Този обект ще съхранява резултатите от occlusion query.
2. Започнете заявката: Стартирате заявката с gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query). Целта gl.ANY_SAMPLES_PASSED указва, че се интересуваме дали някакви семпли (фрагменти) са преминали теста за дълбочина. Съществуват и други цели, като gl.ANY_SAMPLES_PASSED_CONSERVATIVE (която предоставя по-консервативен резултат, потенциално включващ фалшиви положителни резултати за по-добра производителност) и gl.SAMPLES_PASSED (която брои броя на семплите, преминали теста за дълбочина, и е отхвърлена в WebGL2).
3. Рендирайте потенциално скрития обект: След това подавате командите за рисуване на обекта, чиято видимост искате да тествате. Обикновено това е опростена ограничаваща кутия (bounding box) или грубо представяне на обекта. Рендирането на опростена версия намалява въздействието на самата заявка върху производителността.
4. Завършете заявката: Завършвате заявката с gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED).
5. Получете резултата от заявката: Резултатът от заявката не е наличен веднага. GPU-то се нуждае от време, за да обработи командите за рендиране и да определи броя на преминалите фрагменти. Можете да получите резултата, използвайки gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT).
6. Интерпретирайте резултата: Ако резултатът от заявката е по-голям от нула, това означава, че поне един фрагмент от обекта е бил видим. Ако резултатът е нула, това означава, че обектът е бил напълно скрит.
7. Използвайте резултата за Occlusion Culling: Въз основа на резултата от заявката можете да решите дали да рендирате пълния, детайлен обект в следващите кадри.

Предимства от използването на Occlusion Queries

• Подобрена производителност на рендиране: Като се избягва рендирането на скрити обекти, occlusion queries могат значително да намалят натоварването при рендиране, което води до по-висока честота на кадрите и по-гладко потребителско изживяване.
• Намалено натоварване на GPU: По-малко рендиране означава по-малко работа за GPU-то, което може да подобри живота на батерията на мобилни устройства и да намали генерирането на топлина на настолни компютри.
• Подобрена визуална прецизност: Чрез оптимизиране на производителността на рендиране можете да си позволите да рендирате по-сложни сцени с по-големи детайли, без да жертвате честотата на кадрите.
• Мащабируемост: Occlusion queries са особено полезни за сложни сцени с голям брой обекти, тъй като ползите за производителността се увеличават със сложността на сцената.

Предизвикателства и съображения

Въпреки че occlusion queries предлагат значителни предимства, има и някои предизвикателства и съображения, които трябва да се имат предвид:

• Латентност: Occlusion queries въвеждат латентност, тъй като резултатът от заявката не е наличен веднага. GPU-то се нуждае от време, за да обработи командите за рендиране и да определи броя на преминалите фрагменти. Тази латентност може да доведе до визуални артефакти, ако не се управлява внимателно.
• Допълнителни разходи за заявката (Overhead): Изпълнението на occlusion queries също носи определени допълнителни разходи. GPU-то трябва да следи състоянието на заявката и да брои фрагментите, които преминават теста за дълбочина. Тези разходи могат да неутрализират ползите за производителността, ако заявките не се използват разумно.
• Консервативно скриване: За да се сведе до минимум въздействието на латентността, често е желателно да се използва консервативно скриване, при което обектите се считат за видими, дори ако е видим само малък брой фрагменти. Това може да доведе до рендиране на частично скрити обекти, но избягва визуалните артефакти, които могат да възникнат при агресивно отсяване.
• Избор на ограничаващ обем (Bounding Volume): Изборът на ограничаващ обем (напр. ограничаваща кутия, ограничаваща сфера) за occlusion query може значително да повлияе на производителността. По-простите ограничаващи обеми се рендират по-бързо, но могат да доведат до повече фалшиви положителни резултати (т.е. обекти, които се считат за видими, въпреки че са предимно скрити).
• Синхронизация: Получаването на резултата от заявката изисква синхронизация между CPU и GPU. Тази синхронизация може да доведе до забавяния в конвейера за рендиране, което може да се отрази отрицателно на производителността.
• Съвместимост с браузъри и хардуер: Уверете се, че целевите браузъри и хардуер поддържат occlusion queries. Въпреки че са широко поддържани, по-стари системи може да не разполагат с тази функция, което изисква резервни механизми.

Най-добри практики за използване на WebGL Occlusion Queries

За да увеличите максимално ползите от occlusion queries и да сведете до минимум предизвикателствата, вземете предвид следните най-добри практики:

1. Използвайте опростени ограничаващи обеми (Bounding Volumes)

Вместо да рендирате пълния, детайлен обект за occlusion query, рендирайте опростен ограничаващ обем, като например ограничаваща кутия или сфера. Това намалява натоварването при рендиране и ускорява процеса на заявката. Ограничаващият обем трябва плътно да обхваща обекта, за да се сведат до минимум фалшивите положителни резултати.

Пример: Представете си сложен 3D модел на автомобил. Вместо да рендирате целия модел на автомобила за occlusion query, можете да рендирате проста ограничаваща кутия, която обхваща автомобила. Тази ограничаваща кутия ще се рендира много по-бързо от пълния модел на автомобила.

2. Използвайте йерархично отсяване на скрити обекти (Hierarchical Occlusion Culling)

За сложни сцени обмислете използването на йерархично отсяване, при което организирате обектите в йерархия от ограничаващи обеми. След това можете първо да извършите occlusion queries върху ограничаващите обеми от по-високо ниво. Ако ограничаващ обем от по-високо ниво е скрит, можете да избегнете извършването на occlusion queries върху неговите дъщерни елементи. Това може значително да намали броя на необходимите occlusion queries.

Пример: Представете си сцена с град. Можете да организирате сградите в блокове, а след това блоковете в квартали. След това можете първо да извършите occlusion queries върху кварталите. Ако един квартал е скрит, можете да избегнете извършването на occlusion queries върху отделните блокове и сгради в този квартал.

3. Използвайте кохерентност между кадрите (Frame Coherency)

Occlusion queries показват кохерентност между кадрите, което означава, че видимостта на даден обект вероятно ще бъде сходна от един кадър до следващия. Можете да се възползвате от тази кохерентност, като кеширате резултатите от заявките и ги използвате, за да предвидите видимостта на обектите в следващите кадри. Това може да намали броя на необходимите occlusion queries и да подобри производителността.

Пример: Ако даден обект е бил видим в предишния кадър, можете да приемете, че вероятно ще бъде видим и в текущия кадър. След това можете да отложите извършването на occlusion query за този обект, докато има вероятност той да бъде скрит (напр. ако се премести зад друг обект).

4. Обмислете използването на консервативно скриване

За да сведете до минимум въздействието на латентността, обмислете използването на консервативно скриване, при което обектите се считат за видими, дори ако е видим само малък брой фрагменти. Това може да се постигне чрез задаване на праг на резултата от заявката. Ако резултатът от заявката е над прага, обектът се счита за видим. В противен случай се счита за скрит.

Пример: Можете да зададете праг от 10 фрагмента. Ако резултатът от заявката е по-голям от 10, обектът се счита за видим. В противен случай се счита за скрит. Подходящият праг ще зависи от размера и сложността на обектите във вашата сцена.

5. Внедрете резервен механизъм

Не всички браузъри и хардуер поддържат occlusion queries. Важно е да се внедри резервен механизъм, който да може да се използва, когато occlusion queries не са налични. Това може да включва използването на по-прост алгоритъм за отсяване или просто пълното деактивиране на отсяването.

Пример: Можете да проверите дали разширението EXT_occlusion_query_boolean се поддържа. Ако не, можете да преминете към използване на прост алгоритъм за отсяване, базиран на разстояние, при който обекти, които са твърде далеч от камерата, не се рендират.

6. Оптимизирайте конвейера за рендиране

Occlusion queries са само една част от пъзела, когато става въпрос за оптимизиране на производителността на рендиране. Важно е също така да се оптимизира останалата част от конвейера за рендиране, включително:

• Намаляване на броя на командите за рисуване (draw calls): Групирането на командите за рисуване може значително да намали допълнителните разходи за рендиране.
• Използване на ефективни шейдъри: Оптимизирането на шейдърите може да намали времето, прекарано в обработка на всеки връх и фрагмент.
• Използване на mipmapping: Mipmapping може да подобри производителността на филтриране на текстури.
• Намаляване на overdraw: Overdraw се случва, когато фрагменти се рисуват един върху друг, което губи време за обработка.
• Използване на instancing: Instancing ви позволява да рендирате множество копия на един и същ обект с една команда за рисуване.

7. Асинхронно получаване на заявки

Получаването на резултата от заявката може да причини забавяния, ако GPU-то не е приключило с обработката на заявката. Използването на механизми за асинхронно получаване, ако са налични, може да помогне за смекчаване на този проблем. Техниките могат да включват изчакване на определен брой кадри преди получаване на резултата или използване на специални работни нишки (worker threads) за обработка на процеса на получаване на заявки, предотвратявайки блокирането на основната нишка за рендиране.

Примерен код: Основна реализация на Occlusion Query

Ето един опростен пример, демонстриращ основната употреба на occlusion queries в WebGL:

// Create a query object const query = gl.createQuery(); // Begin the query gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query); // Render the object (e.g., a bounding box) gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, vertexCount); // End the query gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED); // Asynchronously retrieve the query result (example using requestAnimationFrame) function checkQueryResult() { gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT_AVAILABLE, (available) => { if (available) { gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT, (result) => { const isVisible = result > 0; // Use the visibility result to decide whether to render the full object if (isVisible) { renderFullObject(); } }); } else { requestAnimationFrame(checkQueryResult); } }); } requestAnimationFrame(checkQueryResult);

Забележка: Това е опростен пример и не включва обработка на грешки, правилно управление на ресурсите или напреднали техники за оптимизация. Не забравяйте да адаптирате това към вашата конкретна сцена и изисквания. Обработката на грешки, особено по отношение на поддръжката на разширения и наличността на заявки, е от решаващо значение в продукционна среда. Също така трябва да се вземат предвид адаптации за обработка на различни потенциални сценарии.

Occlusion Queries в реални приложения

Occlusion queries се използват в широк спектър от реални приложения, включително:

• Разработка на игри: Occlusion culling е ключова техника за оптимизиране на производителността на рендиране в игри, особено в сложни сцени с много обекти. Примерите включват AAA заглавия, рендирани в браузър с помощта на WebAssembly и WebGL, както и уеб-базирани казуални игри с детайлна среда.
• Архитектурна визуализация: Occlusion queries могат да се използват за подобряване на производителността на архитектурни визуализации, позволявайки на потребителите да изследват големи и детайлни модели на сгради в реално време. Представете си да изследвате виртуален музей с безброй експонати - occlusion culling осигурява гладка навигация.
• Географски информационни системи (ГИС): Occlusion queries могат да се използват за оптимизиране на рендирането на големи и сложни географски набори от данни, като градове и пейзажи. Например, визуализирането на 3D модели на градски пейзажи в уеб браузър за симулации на градско планиране може да се възползва значително от occlusion culling.
• Медицински изображения: Occlusion queries могат да се използват за подобряване на производителността на приложения за медицински изображения, позволявайки на лекарите да визуализират сложни анатомични структури в реално време.
• Електронна търговия: За уебсайтове, представящи 3D модели на продукти, occlusion queries могат да помогнат за намаляване на натоварването на GPU, осигурявайки по-гладко изживяване дори на по-малко мощни устройства. Представете си разглеждане на 3D модел на сложна мебел на мобилно устройство; occlusion culling може да помогне за поддържане на разумна честота на кадрите.

Заключение

WebGL occlusion queries са мощен инструмент за оптимизиране на производителността на рендиране и подобряване на потребителското изживяване в уеб приложения. Чрез ефективно отсяване на скрити обекти можете да намалите натоварването при рендиране, да подобрите честотата на кадрите и да създадете по-сложни и детайлни сцени. Въпреки че има предизвикателства, които трябва да се вземат предвид, като латентност и допълнителни разходи за заявки, следването на най-добрите практики и внимателното обмисляне на специфичните нужди на вашето приложение може да отключи пълния потенциал на occlusion queries. Чрез овладяването на тези техники, разработчиците по целия свят могат да предоставят по-богати, по-завладяващи и по-производителни уеб-базирани 3D изживявания.

Допълнителни ресурси

• Спецификация на WebGL: Обърнете се към официалната спецификация на WebGL за най-актуалната информация относно occlusion queries.
• Khronos Group: Разгледайте уебсайта на Khronos Group за ресурси, свързани с WebGL и OpenGL ES.
• Онлайн уроци и статии: Търсете онлайн уроци и статии за WebGL occlusion queries за практически примери и напреднали техники.
• WebGL демонстрации: Разгледайте съществуващи WebGL демонстрации, които използват occlusion queries, за да се поучите от реални реализации.