WebGL Transform Feedback Varying: Детайлно улавяне на атрибути на върхове

Transform Feedback е мощна функция на WebGL, която ви позволява да улавяте изходните данни от вершинните шейдъри и да ги използвате като входни данни за последващи етапи на рендиране. Тази техника отваря врати към широк спектър от напреднали ефекти за рендиране и задачи за обработка на геометрия директно на GPU. Един ключов аспект на Transform Feedback е разбирането как да се посочат кои атрибути на върховете трябва да бъдат уловени, известни като "varying". Това ръководство предоставя изчерпателен преглед на WebGL Transform Feedback с фокус върху улавянето на атрибути на върхове с помощта на varying.

Какво е Transform Feedback?

Традиционно, рендирането в WebGL включва изпращане на данни за върховете към GPU, обработката им чрез вершинни и фрагментни шейдъри и показване на получените пиксели на екрана. Изходните данни от вершинния шейдър, след изрязване и перспективно разделяне, обикновено се изхвърлят. Transform Feedback променя тази парадигма, като ви позволява да прихващате и съхранявате тези резултати след вершинния шейдър обратно в буферен обект.

Представете си сценарий, в който искате да симулирате физика на частици. Можете да актуализирате позициите на частиците на CPU и да изпращате актуализираните данни обратно към GPU за рендиране във всеки кадър. Transform Feedback предлага по-ефективен подход, като извършва физическите изчисления (с помощта на вершинния шейдър) на GPU и директно улавя актуализираните позиции на частиците обратно в буфер, готови за рендирането на следващия кадър. Това намалява натоварването на CPU и подобрява производителността, особено при сложни симулации.

Ключови концепции на Transform Feedback

• Вершинен шейдър (Vertex Shader): Ядрото на Transform Feedback. Вершинният шейдър извършва изчисленията, чиито резултати се улавят.
• Променливи Varying: Това са изходните променливи от вершинния шейдър, които искате да уловите. Те определят кои атрибути на върховете се записват обратно в буферния обект.
• Буферни обекти (Buffer Objects): Мястото за съхранение, където се записват уловените атрибути на върховете. Тези буфери се свързват към обекта Transform Feedback.
• Обект Transform Feedback: WebGL обект, който управлява процеса на улавяне на атрибути на върховете. Той определя целевите буфери и променливите varying.
• Режим на примитивите (Primitive Mode): Посочва типа на примитивите (точки, линии, триъгълници), генерирани от вершинния шейдър. Това е важно за правилното разположение в буфера.

Настройка на Transform Feedback в WebGL

Процесът на използване на Transform Feedback включва няколко стъпки:

1. Създаване и конфигуриране на обект Transform Feedback:

   Използвайте gl.createTransformFeedback() за създаване на обект Transform Feedback. След това го свържете с gl.bindTransformFeedback(gl.TRANSFORM_FEEDBACK, transformFeedback).

2. Създаване и свързване на буферни обекти:

   Създайте буферни обекти с gl.createBuffer(), за да съхраните уловените атрибути на върховете. Свържете всеки буферен обект към целта gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, като използвате gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, index, buffer). `index` съответства на реда на променливите varying, посочени в шейдърната програма.

3. Посочване на променливи Varying:

   Това е ключова стъпка. Преди да свържете шейдърната програма, трябва да кажете на WebGL кои изходни променливи (променливи varying) от вершинния шейдър трябва да бъдат уловени. Използвайте gl.transformFeedbackVaryings(program, varyings, bufferMode).

   • program: Обектът на шейдърната програма.
   • varyings: Масив от низове, където всеки низ е името на променлива varying във вершинния шейдър. Редът на тези променливи е важен, тъй като определя индекса за свързване на буфера.
   • bufferMode: Посочва как променливите varying се записват в буферните обекти. Често срещани опции са gl.SEPARATE_ATTRIBS (всяка varying отива в отделен буфер) и gl.INTERLEAVED_ATTRIBS (всички променливи varying се записват редуващо се в един буфер).
4. Създаване и компилиране на шейдъри:

   Създайте вершинния и фрагментния шейдър. Вершинният шейдър трябва да извежда променливите varying, които искате да уловите. Фрагментният шейдър може да е необходим или не, в зависимост от вашето приложение. Той може да бъде полезен за отстраняване на грешки.

5. Свързване на шейдърната програма:

   Свържете шейдърната програма с gl.linkProgram(program). Важно е да извикате gl.transformFeedbackVaryings() *преди* свързването на програмата.

6. Започване и прекратяване на Transform Feedback:

   За да започнете улавянето на атрибути на върхове, извикайте gl.beginTransformFeedback(primitiveMode), където primitiveMode посочва типа на генерираните примитиви (напр. gl.POINTS, gl.LINES, gl.TRIANGLES). След рендирането извикайте gl.endTransformFeedback(), за да спрете улавянето.

7. Изчертаване на геометрията:

   Използвайте gl.drawArrays() или gl.drawElements() за рендиране на геометрията. Вершинният шейдър ще се изпълни и посочените променливи varying ще бъдат уловени в буферните обекти.

Пример: Улавяне на позициите на частици

Нека илюстрираме това с прост пример за улавяне на позициите на частици. Да приемем, че имаме вершиннен шейдър, който актуализира позициите на частиците въз основа на скоростта и гравитацията.

Вершинен шейдър (particle.vert)

#version 300 es

in vec3 a_position;

in vec3 a_velocity;

uniform float u_timeStep;

out vec3 v_position;

out vec3 v_velocity;

void main() {
 vec3 gravity = vec3(0.0, -9.8, 0.0);
 v_velocity = a_velocity + gravity * u_timeStep;
 v_position = a_position + v_velocity * u_timeStep;

 gl_Position = vec4(v_position, 1.0);
}

Този вершиннен шейдър приема a_position и a_velocity като входни атрибути. Той изчислява новата скорост и позиция на всяка частица, съхранявайки резултатите в променливите varying v_position и v_velocity. `gl_Position` се задава на новата позиция за рендиране.

JavaScript код

// ... инициализация на WebGL контекста ...

// 1. Създаване на обект Transform Feedback
const transformFeedback = gl.createTransformFeedback();
gl.bindTransformFeedback(gl.TRANSFORM_FEEDBACK, transformFeedback);

// 2. Създаване на буферни обекти за позиция и скорост
const positionBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, particlePositions, gl.DYNAMIC_COPY); // Първоначални позиции на частиците

const velocityBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, velocityBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, particleVelocities, gl.DYNAMIC_COPY); // Първоначални скорости на частиците

// 3. Посочване на променливи Varying
const varyings = ['v_position', 'v_velocity'];
gl.transformFeedbackVaryings(program, varyings, gl.SEPARATE_ATTRIBS);  // Трябва да се извика *преди* свързването на програмата.

// 4. Създаване и компилиране на шейдъри (пропуснато за краткост)
// ...

// 5. Свързване на шейдърната програма
gl.linkProgram(program);

// Свързване на буферите на Transform Feedback
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, positionBuffer);  // Индекс 0 за v_position
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 1, velocityBuffer);  // Индекс 1 за v_velocity

// Вземане на локациите на атрибутите
const positionLocation = gl.getAttribLocation(program, 'a_position');
const velocityLocation = gl.getAttribLocation(program, 'a_velocity');

// --- Цикъл на рендиране ---
function render() {
 gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

 gl.useProgram(program);

 // Активиране на атрибутите
 gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
gl.vertexAttribPointer(positionLocation, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(positionLocation);

 gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, velocityBuffer);
gl.vertexAttribPointer(velocityLocation, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(velocityLocation);

 // 6. Започване на Transform Feedback
 gl.enable(gl.RASTERIZER_DISCARD); // Деактивиране на растеризацията
gl.beginTransformFeedback(gl.POINTS);

 // 7. Изчертаване на геометрията
 gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, numParticles);

 // 8. Край на Transform Feedback
 gl.endTransformFeedback();
gl.disable(gl.RASTERIZER_DISCARD); // Повторно активиране на растеризацията

 // Размяна на буфери (по избор, ако искате да рендирате точките)
 // Например, рендиране отново на актуализирания буфер за позиции.

 requestAnimationFrame(render);
}

render();

В този пример:

• Създаваме два буферни обекта, един за позициите на частиците и един за скоростите.
• Посочваме v_position и v_velocity като променливи varying.
• Свързваме буфера за позиции към индекс 0, а буфера за скорости към индекс 1 на буферите на Transform Feedback.
• Деактивираме растеризацията с gl.enable(gl.RASTERIZER_DISCARD), защото искаме само да уловим данните за атрибутите на върховете; не искаме да рендираме нищо в този етап. Това е важно за производителността.
• Извикваме gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, numParticles), за да изпълним вершинния шейдър върху всяка частица.
• Актуализираните позиции и скорости на частиците се улавят в буферните обекти.
• След етапа на Transform Feedback можете да размените входния и изходния буфер и да рендирате частиците въз основа на актуализираните позиции.

Променливи Varying: Детайли и съображения

Параметърът `varyings` в `gl.transformFeedbackVaryings()` е масив от низове, представляващи имената на изходните променливи от вашия вершиннен шейдър, които искате да уловите. Тези променливи трябва:

• Да бъдат декларирани като out променливи във вершинния шейдър.
• Да имат съвпадащ тип данни между изхода на вершинния шейдър и съхранението в буферния обект. Например, ако променлива varying е vec3, съответният буферен обект трябва да е достатъчно голям, за да съхранява vec3 стойности за всички върхове.
• Да бъдат в правилния ред. Редът в масива `varyings` диктува индекса на свързване на буфера. Първата varying ще бъде записана в буфер с индекс 0, втората в индекс 1 и т.н.

Подравняване на данните и разположение в буфера

Разбирането на подравняването на данните е от решаващо значение за правилната работа на Transform Feedback. Разположението на уловените атрибути на върховете в буферните обекти зависи от параметъра bufferMode в `gl.transformFeedbackVaryings()`:

• gl.SEPARATE_ATTRIBS: Всяка променлива varying се записва в отделен буферен обект. Буферният обект, свързан с индекс 0, ще съдържа всички стойности за първата varying, буферният обект, свързан с индекс 1, ще съдържа всички стойности за втората varying и т.н. Този режим обикновено е по-лесен за разбиране и отстраняване на грешки.
• gl.INTERLEAVED_ATTRIBS: Всички променливи varying се записват редуващо се в един буферен обект. Например, ако имате две променливи varying, v_position (vec3) и v_velocity (vec3), буферът ще съдържа последователност от vec3 (позиция), vec3 (скорост), vec3 (позиция), vec3 (скорост) и т.н. Този режим може да бъде по-ефективен за определени случаи на употреба, особено когато уловените данни ще се използват като редуващи се атрибути на върхове в следващ етап на рендиране.

Съвпадение на типовете данни

Типовете данни на променливите varying във вершинния шейдър трябва да са съвместими с формата за съхранение на буферните обекти. Например, ако декларирате променлива varying като out vec3 v_color, трябва да се уверите, че буферният обект е достатъчно голям, за да съхранява vec3 стойности (обикновено стойности с плаваща запетая) за всички върхове. Несъответстващите типове данни могат да доведат до неочаквани резултати или грешки.

Работа с отхвърляне на растеризацията (Rasterizer Discard)

Когато използвате Transform Feedback единствено за улавяне на данни за атрибути на върхове (а не за рендиране на нещо в първоначалния етап), е от решаващо значение да деактивирате растеризацията с помощта на gl.enable(gl.RASTERIZER_DISCARD), преди да извикате gl.beginTransformFeedback(). Това предпазва GPU от извършване на ненужни операции по растеризация, което може значително да подобри производителността. Не забравяйте да активирате отново растеризацията с gl.disable(gl.RASTERIZER_DISCARD) след извикване на gl.endTransformFeedback(), ако възнамерявате да рендирате нещо в следващ етап.

Случаи на употреба на Transform Feedback

Transform Feedback има множество приложения в рендирането с WebGL, включително:

• Системи от частици: Както е показано в примера, Transform Feedback е идеален за актуализиране на позиции, скорости и други атрибути на частици директно на GPU, което позволява ефективни симулации на частици.
• Обработка на геометрия: Можете да използвате Transform Feedback за извършване на геометрични трансформации, като деформация на мрежа, подразделяне или опростяване, изцяло на GPU. Представете си деформиране на модел на герой за анимация.
• Динамика на флуиди: Симулирането на потока на флуиди на GPU може да се постигне с Transform Feedback. Актуализирайте позициите и скоростите на частиците на флуида и след това използвайте отделен етап на рендиране, за да визуализирате флуида.
• Физични симулации: В по-общ план, всяка физична симулация, която изисква актуализиране на атрибути на върхове, може да се възползва от Transform Feedback. Това може да включва симулация на плат, динамика на твърди тела или други физични ефекти.
• Обработка на облаци от точки: Улавяне на обработени данни от облаци от точки за визуализация или анализ. Това може да включва филтриране, изглаждане или извличане на характеристики на GPU.
• Персонализирани атрибути на върхове: Изчисляване на персонализирани атрибути на върхове, като нормални вектори или текстурни координати, въз основа на други данни за върховете. Това може да бъде полезно за техники за процедурно генериране.
• Предварителни етапи за отложено засенчване (Deferred Shading): Улавяне на данни за позиция и нормали в G-буфери за конвейери за отложено засенчване. Тази техника позволява по-сложни изчисления на осветлението.

Съображения за производителността

Въпреки че Transform Feedback може да предложи значителни подобрения в производителността, е важно да се вземат предвид следните фактори:

• Размер на буферния обект: Уверете се, че буферните обекти са достатъчно големи, за да съхраняват всички уловени атрибути на върхове. Разпределете правилния размер въз основа на броя на върховете и типовете данни на променливите varying.
• Натоварване при прехвърляне на данни: Избягвайте ненужни трансфери на данни между CPU и GPU. Използвайте Transform Feedback, за да извършите възможно най-много обработка на GPU.
• Отхвърляне на растеризацията: Активирайте gl.RASTERIZER_DISCARD, когато Transform Feedback се използва единствено за улавяне на данни.
• Сложност на шейдъра: Оптимизирайте кода на вершинния шейдър, за да минимизирате изчислителните разходи. Сложните шейдъри могат да повлияят на производителността, особено при работа с голям брой върхове.
• Размяна на буфери: Когато използвате Transform Feedback в цикъл (напр. за симулация на частици), обмислете използването на двойно буфериране (размяна на входния и изходния буфер), за да избегнете рискове от четене след запис.
• Тип на примитива: Изборът на тип на примитива (gl.POINTS, gl.LINES, gl.TRIANGLES) може да повлияе на производителността. Изберете най-подходящия тип примитив за вашето приложение.

Отстраняване на грешки в Transform Feedback

Отстраняването на грешки в Transform Feedback може да бъде предизвикателство, но ето няколко съвета:

• Проверка за грешки: Използвайте gl.getError(), за да проверявате за WebGL грешки след всяка стъпка в настройката на Transform Feedback.
• Проверка на размерите на буферите: Уверете се, че буферните обекти са достатъчно големи, за да съхранят уловените данни.
• Инспектиране на съдържанието на буфера: Използвайте gl.getBufferSubData(), за да прочетете съдържанието на буферните обекти обратно на CPU и да инспектирате уловените данни. Това може да помогне за идентифициране на проблеми с подравняването на данните или изчисленията в шейдъра.
• Използвайте дебъгер: Използвайте WebGL дебъгер (напр. Spector.js), за да инспектирате състоянието на WebGL и изпълнението на шейдъра. Това може да предостави ценна информация за процеса на Transform Feedback.
• Опростете шейдъра: Започнете с прост вершиннен шейдър, който извежда само няколко променливи varying. Постепенно добавяйте сложност, докато проверявате всяка стъпка.
• Проверете реда на varying: Проверете отново дали редът на променливите varying в масива `varyings` съответства на реда, в който те се записват във вершинния шейдър и индексите за свързване на буферите.
• Деактивирайте оптимизациите: Временно деактивирайте оптимизациите на шейдъра, за да улесните отстраняването на грешки.

Съвместимост и разширения

Transform Feedback се поддържа в WebGL 2 и OpenGL ES 3.0 и по-нови версии. В WebGL 1 разширението OES_transform_feedback предоставя подобна функционалност. Въпреки това, имплементацията в WebGL 2 е по-ефективна и богата на функции.

Проверете за поддръжка на разширението, като използвате:

const transformFeedbackExtension = gl.getExtension('OES_transform_feedback');
if (transformFeedbackExtension) {
 // Use the extension
}

Заключение

WebGL Transform Feedback е мощна техника за улавяне на данни за атрибути на върхове директно на GPU. Чрез разбирането на концепциите за променливи varying, буферни обекти и обекта Transform Feedback, можете да използвате тази функция, за да създавате напреднали ефекти за рендиране, да извършвате задачи за обработка на геометрия и да оптимизирате вашите WebGL приложения. Не забравяйте внимателно да обмислите подравняването на данните, размерите на буферите и последиците за производителността при внедряването на Transform Feedback. С внимателно планиране и отстраняване на грешки можете да отключите пълния потенциал на тази ценна възможност на WebGL.