Алгоритъм за опаковане на унифицирани блокове в WebGL шейдъри: Оптимизация на паметното разположение

В WebGL шейдърите са от съществено значение за дефинирането на това как обектите се изобразяват на екрана. Унифицираните блокове предоставят начин за групиране на множество унифицирани променливи заедно, позволявайки по-ефективен трансфер на данни между CPU и GPU. Въпреки това, начинът, по който тези унифицирани блокове са опаковани в паметта, може значително да повлияе на производителността. Тази статия разглежда различните алгоритми за опаковане, налични в WebGL (по-специално WebGL2, което е необходимо за унифицираните блокове), като се фокусира върху техниките за оптимизация на паметното разположение.

Разбиране на унифицираните блокове

Унифицираните блокове са функция, въведена в OpenGL ES 3.0 (и следователно WebGL2), която ви позволява да групирате свързани унифицирани променливи в един блок. Това е по-ефективно от задаването на индивидуални унифицирани променливи, тъй като намалява броя на извикванията на API и позволява на драйвера да оптимизира трансфера на данни.

Разгледайте следния GLSL шейдър фрагмент:

            #version 300 es

uniform CameraData {
  mat4 projectionMatrix;
  mat4 viewMatrix;
  vec3 cameraPosition;
  float nearPlane;
  float farPlane;
};

uniform LightData {
  vec3 lightPosition;
  vec3 lightColor;
  float lightIntensity;
};

in vec3 inPosition;
in vec3 inNormal;

out vec4 fragColor;

void main() {
  // ... shader code using the uniform data ...
  gl_Position = projectionMatrix * viewMatrix * vec4(inPosition, 1.0);
  // ... lighting calculations using LightData ...
  fragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // Example
}

            

              
                Copy
              
            
          

В този пример, `CameraData` и `LightData` са унифицирани блокове. Вместо да задавате `projectionMatrix`, `viewMatrix`, `cameraPosition` и т.н. индивидуално, можете да актуализирате целите блокове `CameraData` и `LightData` с едно единствено извикване.

Опции за паметно разположение

Паметното разположение на унифицираните блокове определя как променливите в блока са подредени в паметта. WebGL2 предлага три основни опции за разположение:

• Стандартно разположение: (известно още като `std140` разположение) Това е разположението по подразбиране и осигурява баланс между производителност и съвместимост. То следва специфичен набор от правила за подравняване, за да гарантира, че данните са правилно подравнени за ефективен достъп от GPU.
• Споделено разположение: Подобно на стандартното разположение, но позволява на компилатора повече гъвкавост при оптимизиране на разположението. Това обаче идва с цената на изискване на изрични заявки за отместване, за да се определи местоположението на променливите в блока.
• Компактно разположение: Това разположение минимизира използването на памет чрез опаковане на променливите възможно най-плътно, потенциално намалявайки запълването (padding). Въпреки това, то може да доведе до по-бавни времена за достъп и може да зависи от хардуера, което го прави по-малко преносимо.

Стандартно разположение (`std140`)

Разположението `std140` е най-често срещаната и препоръчителна опция за унифицирани блокове в WebGL2. То гарантира последователно паметно разположение през различни хардуерни платформи, което го прави изключително преносимо. Правилата за разположение се основават на схема за подравняване по степен на две, която гарантира, че данните са правилно подравнени за ефективен достъп от GPU.

Ето резюме на правилата за подравняване за `std140`:

• Скаларни типове (float, int, bool): Подравнени на 4 байта.
• Вектори (vec2, ivec2, bvec2): Подравнени на 8 байта.
• Вектори (vec3, ivec3, bvec3): Подравнени на 16 байта (изисква запълване за запълване на пролуката).
• Вектори (vec4, ivec4, bvec4): Подравнени на 16 байта.
• Матрици (mat2): Всяка колона се третира като vec2 и е подравнена на 8 байта.
• Матрици (mat3): Всяка колона се третира като vec3 и е подравнена на 16 байта (изисква запълване).
• Матрици (mat4): Всяка колона се третира като vec4 и е подравнена на 16 байта.
• Масиви: Всеки елемент е подравнен според своя базов тип, а базовото подравняване на масива е същото като подравняването на неговия елемент. Има също запълване в края на масива, за да се гарантира, че размерът му е кратен на подравняването на неговия елемент.
• Структури: Подравнени според най-голямото изискване за подравняване на своите членове. Членовете са подредени в реда, в който се появяват в дефиницията на структурата, като се вмъква запълване, ако е необходимо, за да се удовлетворят изискванията за подравняване на всеки член и самата структура.

Пример:

            #version 300 es

layout(std140) uniform ExampleBlock {
  float scalar;
  vec3 vector;
  mat4 matrix;
};

            

              
                Copy
              
            
          

В този пример:

• `scalar` ще бъде подравнен на 4 байта.
• `vector` ще бъде подравнен на 16 байта, изисквайки 4 байта запълване след `scalar`.
• `matrix` ще се състои от 4 колони, всяка третирана като `vec4` и подравнена на 16 байта.

Общият размер на `ExampleBlock` ще бъде по-голям от сумата от размерите на неговите членове поради запълване.

Споделено разположение

Споделеното разположение предлага повече гъвкавост на компилатора по отношение на паметното разположение. Докато то все още спазва основните изисквания за подравняване, то не гарантира специфично разположение. Това потенциално може да доведе до по-ефективно използване на паметта и по-добра производителност на определен хардуер. Въпреки това, недостатъкът е, че трябва изрично да заявeните отместванията на променливите в блока, използвайки WebGL API извиквания (напр. `gl.getActiveUniformBlockParameter` с `gl.UNIFORM_OFFSET`).

Пример:

            #version 300 es

layout(shared) uniform SharedBlock {
  float scalar;
  vec3 vector;
  mat4 matrix;
};

            

              
                Copy
              
            
          

При споделеното разположение не можете да предполагате отместванията на `scalar`, `vector` и `matrix`. Трябва да ги заявите по време на изпълнение, използвайки WebGL API извиквания. Това е важно, ако трябва да актуализирате унифицирания блок от вашия JavaScript код.

Компактно разположение

Компактното разположение цели да минимизира използването на памет чрез опаковане на променливите възможно най-плътно, елиминирайки запълването. Това може да бъде полезно в ситуации, когато пропускателната способност на паметта е тясно място. Въпреки това, компактното разположение може да доведе до по-бавни времена за достъп, тъй като GPU може да се наложи да извършва по-сложни изчисления, за да намери променливите. Освен това, точното разположение е силно зависимо от конкретния хардуер и драйвер, което го прави по-малко преносимо от разположението `std140`. В много случаи използването на компактно разположение не е по-бързо на практика поради допълнителна сложност при достъпа до данните.

Пример:

            #version 300 es

layout(packed) uniform PackedBlock {
  float scalar;
  vec3 vector;
  mat4 matrix;
};

            

              
                Copy
              
            
          

При компактното разположение променливите ще бъдат опаковани възможно най-плътно. Въпреки това, все още трябва да заявите отместванията по време на изпълнение, тъй като точното разположение не е гарантирано. Това разположение обикновено не се препоръчва, освен ако нямате специфична нужда да минимизирате използването на памет и сте профилирали приложението си, за да потвърдите, че то предоставя предимство в производителността.

Оптимизиране на паметното разположение на унифицираните блокове

Оптимизирането на паметното разположение на унифицираните блокове включва минимизиране на запълването и гарантиране, че данните са подравнени за ефективен достъп. Ето някои стратегии:

1. Пренаредете променливите: Подредете променливите в унифицирания блок въз основа на техния размер и изисквания за подравняване. Поставете по-големи променливи (напр. матрици) преди по-малки (напр. скалари), за да намалите запълването.
2. Групирайте подобни типове: Групирайте променливи от един и същи тип заедно. Това може да помогне за минимизиране на запълването и подобряване на локалността на кеша.
3. Използвайте структури разумно: Структурите могат да се използват за групиране на свързани променливи заедно, но имайте предвид изискванията за подравняване на членовете на структурата. Помислете за използване на няколко по-малки структури вместо една голяма структура, ако това помага за намаляване на запълването.
4. Избягвайте ненужно запълване: Бъдете наясно със запълването, въведено от `std140` разположението, и се опитайте да го минимизирате. Например, ако имате `vec3`, помислете за използване на `vec4` вместо него, за да избегнете 4-байтовото запълване. Това обаче е за сметка на увеличеното използване на памет. Трябва да направите бенчмарк, за да определите най-добрия подход.
5. Помислете за използване на `std430`: Въпреки че не е пряко изложено като квалификатор на разположение в самия WebGL2, разположението `std430`, наследено от OpenGL 4.3 и по-нови (и OpenGL ES 3.1 и по-нови), е по-близка аналогия на "компактно" разположение, без да е толкова силно зависимо от хардуера или да изисква заявки за отместване по време на изпълнение. То основно подравнява членовете до техния естествен размер, до максимум 16 байта. Така че `float` е 4 байта, `vec3` е 12 байта и т.н. Тозиa разположение се използва вътрешно от определени WebGL разширения. Въпреки че често не можете директно да *указвате* `std430`, знанието за това как концептуално е подобно на опаковането на променливи е често полезно при ръчното оформяне на вашите структури.

Пример: Пренареждане на променливи за оптимизация

Разгледайте следния унифициран блок:

            #version 300 es

layout(std140) uniform BadBlock {
  float a;
  vec3 b;
  float c;
  vec3 d;
};

            

              
                Copy
              
            
          

В този случай има значително запълване поради изискванията за подравняване на променливите `vec3`. Паметното разположение ще бъде:

• `a`: 4 байта
• Запълване: 12 байта
• `b`: 12 байта
• Запълване: 4 байта
• `c`: 4 байта
• Запълване: 12 байта
• `d`: 12 байта
• Запълване: 4 байта

Общият размер на `BadBlock` е 64 байта.

Сега, нека пренаредим променливите:

            #version 300 es

layout(std140) uniform GoodBlock {
  vec3 b;
  vec3 d;
  float a;
  float c;
};

            

              
                Copy
              
            
          

Паметното разположение вече е:

• `b`: 12 байта
• Запълване: 4 байта
• `d`: 12 байта
• Запълване: 4 байта
• `a`: 4 байта
• Запълване: 4 байта
• `c`: 4 байта
• Запълване: 4 байта

Общият размер на `GoodBlock` все още е 32 байта, НО достъпът до числата с плаваща запетая може да е малко по-бавен (но вероятно незабележим). Нека опитаме нещо друго:

            #version 300 es

layout(std140) uniform BestBlock {
  vec3 b;
  vec3 d;
  vec2 ac;
};

            

              
                Copy
              
            
          

Паметното разположение вече е:

• `b`: 12 байта
• Запълване: 4 байта
• `d`: 12 байта
• Запълване: 4 байта
• `ac`: 8 байта
• Запълване: 8 байта

Общият размер на `BestBlock` е 48 байта. Въпреки че е по-голям от втория ни пример, ние елиминирахме запълването *между* `a` и `c` и можем да ги достъпваме по-ефективно като една единствена `vec2` стойност.

Приложима идея: Редовно преглеждайте и оптимизирайте разположението на вашите унифицирани блокове, особено в критични за производителността приложения. Профилирайте кода си, за да идентифицирате потенциални тесни места и експериментирайте с различни разположения, за да намерите оптималната конфигурация.

Достъп до данни от унифицирани блокове в JavaScript

За да актуализирате данните в унифициран блок от вашия JavaScript код, трябва да изпълните следните стъпки:

1. Вземете индекса на унифицирания блок: Използвайте `gl.getUniformBlockIndex`, за да извлечете индекса на унифицирания блок в програмата на шейдъра.
2. Вземете размера на унифицирания блок: Използвайте `gl.getActiveUniformBlockParameter` с `gl.UNIFORM_BLOCK_DATA_SIZE`, за да определите размера на унифицирания блок в байтове.
3. Създайте буфер: Създайте `Float32Array` (или друг подходящ типизиран масив) с правилния размер, за да съхранявате данните от унифицирания блок.
4. Попълнете буфера: Попълнете буфера със съответните стойности за всяка променлива в унифицирания блок. Имайте предвид паметното разположение (особено при споделени или компактни разположения) и използвайте правилните отмествания.
5. Създайте обект буфер: Създайте WebGL обект буфер, използвайки `gl.createBuffer`.
6. Свържете буфера: Свържете обекта буфер към целта `gl.UNIFORM_BUFFER`, използвайки `gl.bindBuffer`.
7. Качете данните: Качете данните от типизирания масив към обекта буфер, използвайки `gl.bufferData`.
8. Свържете унифицирания блок към точка за свързване: Изберете точка за свързване на унифициран буфер (напр. 0, 1, 2). Използвайте `gl.bindBufferBase` или `gl.bindBufferRange` за да свържете обекта буфер към избраната точка за свързване.
9. Свържете унифицирания блок към точката за свързване: Използвайте `gl.uniformBlockBinding`, за да свържете унифицирания блок в шейдъра към избраната точка за свързване.

Пример: Актуализиране на унифициран блок от JavaScript

            // Assuming you have a WebGL context (gl) and a shader program (program)

// 1. Get the uniform block index
const blockIndex = gl.getUniformBlockIndex(program, "MyBlock");

// 2. Get the size of the uniform block
const blockSize = gl.getActiveUniformBlockParameter(program, blockIndex, gl.UNIFORM_BLOCK_DATA_SIZE);

// 3. Create a buffer
const bufferData = new Float32Array(blockSize / 4); // Assuming floats

// 4. Populate the buffer (example values)
// Note: You need to know the offsets of the variables within the block
// For std140, you can calculate them based on the alignment rules
// For shared or packed, you need to query them using gl.getActiveUniform
bufferData[0] = 1.0; // myFloat
bufferData[4] = 2.0; // myVec3.x (offset needs to be calculated correctly)
bufferData[5] = 3.0; // myVec3.y
bufferData[6] = 4.0; // myVec3.z


// 5. Create a buffer object
const buffer = gl.createBuffer();

// 6. Bind the buffer
gl.bindBuffer(gl.UNIFORM_BUFFER, buffer);

// 7. Upload the data
gl.bufferData(gl.UNIFORM_BUFFER, bufferData, gl.DYNAMIC_DRAW);

// 8. Bind the uniform block to a binding point
const bindingPoint = 0;
gl.bindBufferBase(gl.UNIFORM_BUFFER, bindingPoint, buffer);

// 9. Link the uniform block to the binding point
gl.uniformBlockBinding(program, blockIndex, bindingPoint);

            

              
                Copy
              
            
          

Съображения за производителността

Изборът на разположение на унифициран блок и оптимизацията на паметното разположение могат да имат значително влияние върху производителността, особено в сложни сцени с много актуализации на унифицирани променливи. Ето някои съображения за производителността:

• Пропускателна способност на паметта: Минимизирането на използването на памет може да намали количеството данни, които трябва да бъдат прехвърлени между CPU и GPU, подобрявайки производителността.
• Локалност на кеша: Подреждането на променливи по начин, който подобрява локалността на кеша, може да намали броя на пропуските в кеша, водещи до по-бързи времена за достъп.
• Подравняване: Правилното подравняване гарантира, че данните могат да бъдат достъпвани ефективно от GPU. Неправилно подравнени данни могат да доведат до наказания в производителността.
• Оптимизация на драйвера: Различните графични драйвери могат да оптимизират достъпа до унифицирани блокове по различни начини. Експериментирайте с различни разположения, за да намерите най-добрата конфигурация за вашия целеви хардуер.
• Брой актуализации на унифицирани променливи: Намаляването на броя на актуализациите на унифицирани променливи може значително да подобри производителността. Използвайте унифицирани блокове, за да групирате свързани унифицирани променливи и да ги актуализирате с едно извикване.

Заключение

Разбирането на алгоритмите за опаковане на унифицирани блокове и оптимизирането на паметното разположение е от решаващо значение за постигане на оптимална производителност в WebGL приложенията. Разположението `std140` осигурява добър баланс между производителност и съвместимост, докато споделените и компактните разположения предлагат повече гъвкавост, но изискват внимателно отчитане на хардуерните зависимости и заявки за отместване по време на изпълнение. Чрез пренареждане на променливи, групиране на подобни типове и минимизиране на ненужното запълване, можете значително да намалите използването на памет и да подобрите производителността.

Не забравяйте да профилирате кода си и да експериментирате с различни разположения, за да намерите оптималната конфигурация за вашето конкретно приложение и целеви хардуер. Редовно преглеждайте и оптимизирайте разположенията на вашите унифицирани блокове, особено когато шейдърите ви се развиват и стават по-сложни.

Допълнителни ресурси

• OpenGL Wiki: Интерфейсен блок (GLSL)
• Спецификация на OpenGL ES 3.0

Това изчерпателно ръководство трябва да ви осигури солидна основа за разбиране и оптимизиране на алгоритмите за опаковане на унифицирани блокове в WebGL шейдъри. Успех и приятно рендиране!