WebGL Occlusion Queries: Testování viditelnosti a optimalizace výkonu

V oblasti vývoje WebGL je výkon prvořadý. Složité scény s mnoha objekty mohou rychle zatížit GPU, což vede k poklesu snímkové frekvence a špatnému uživatelskému zážitku. Jednou z mocných technik, jak toto zmírnit, je occlusion culling, kdy se objekty skryté za jinými nevykreslují, což šetří cenný procesorový čas. WebGL occlusion queries poskytují mechanismus pro efektivní zjišťování viditelnosti objektů, což umožňuje efektivní occlusion culling.

Co jsou WebGL Occlusion Queries?

WebGL occlusion query je funkce, která vám umožňuje zeptat se GPU, kolik fragmentů (pixelů) bylo vykresleno určitou sadou vykreslovacích příkazů. V podstatě odešlete příkazy k vykreslení objektu a GPU vám sdělí, zda některý z jeho fragmentů prošel testem hloubky a byl skutečně viditelný. Tyto informace lze poté použít k určení, zda je objekt zakryt jinými objekty ve scéně. Pokud dotaz vrátí nulu (nebo velmi malé číslo), znamená to, že objekt byl zcela (nebo z větší části) zakryt a není třeba jej v následujících snímcích vykreslovat. Tato technika výrazně snižuje zátěž při vykreslování a zlepšuje výkon, zejména ve složitých scénách.

Jak fungují Occlusion Queries: Zjednodušený přehled

1. Vytvoření objektu dotazu: Nejprve vytvoříte objekt dotazu pomocí gl.createQuery(). Tento objekt bude obsahovat výsledky dotazu na okluzi.
2. Zahájení dotazu: Dotaz zahájíte pomocí gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query). Cíl gl.ANY_SAMPLES_PASSED specifikuje, že nás zajímá, zda nějaké vzorky (fragmenty) prošly testem hloubky. Existují i jiné cíle, jako například gl.ANY_SAMPLES_PASSED_CONSERVATIVE (který poskytuje konzervativnější výsledek, potenciálně včetně falešně pozitivních výsledků pro lepší výkon) a gl.SAMPLES_PASSED (který počítá počet vzorků, které prošly testem hloubky, ve WebGL2 zastaralé).
3. Vykreslení potenciálně zakrytého objektu: Poté vydáte příkazy k vykreslení objektu, který chcete testovat na viditelnost. Obvykle se jedná o zjednodušený ohraničující box nebo hrubou reprezentaci objektu. Vykreslení zjednodušené verze snižuje dopad samotného dotazu na výkon.
4. Ukončení dotazu: Dotaz ukončíte pomocí gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED).
5. Získání výsledku dotazu: Výsledek dotazu není okamžitě dostupný. GPU potřebuje čas na zpracování vykreslovacích příkazů a určení počtu fragmentů, které prošly. Výsledek můžete získat pomocí gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT).
6. Interpretace výsledku: Pokud je výsledek dotazu větší než nula, znamená to, že alespoň jeden fragment objektu byl viditelný. Pokud je výsledek nula, znamená to, že objekt byl zcela zakryt.
7. Použití výsledku pro Occlusion Culling: Na základě výsledku dotazu se můžete rozhodnout, zda v následujících snímcích vykreslit celý, detailní objekt.

Výhody používání Occlusion Queries

• Zlepšený výkon vykreslování: Tím, že se zabrání vykreslování zakrytých objektů, mohou occlusion queries výrazně snížit zátěž při vykreslování, což vede k vyšší snímkové frekvenci a plynulejšímu uživatelskému zážitku.
• Snížené zatížení GPU: Méně vykreslování znamená méně práce pro GPU, což může prodloužit životnost baterie na mobilních zařízeních a snížit produkci tepla na stolních počítačích.
• Vylepšená vizuální kvalita: Díky optimalizaci výkonu vykreslování si můžete dovolit vykreslovat složitější scény s většími detaily, aniž byste obětovali snímkovou frekvenci.
• Škálovatelnost: Occlusion queries jsou obzvláště výhodné pro složité scény s velkým počtem objektů, protože zisky ve výkonu rostou se složitostí scény.

Výzvy a úvahy

Ačkoli occlusion queries nabízejí významné výhody, existují také některé výzvy a aspekty, které je třeba mít na paměti:

• Latence: Occlusion queries zavádějí latenci, protože výsledek dotazu není okamžitě dostupný. GPU potřebuje čas na zpracování vykreslovacích příkazů a určení počtu fragmentů, které prošly. Tato latence může vést k vizuálním artefaktům, pokud není správně ošetřena.
• Režie dotazů: Provádění dotazů na okluzi také přináší určitou režii. GPU musí sledovat stav dotazu a počítat fragmenty, které projdou testem hloubky. Tato režie může negovat výhody ve výkonu, pokud se dotazy nepoužívají uvážlivě.
• Konzervativní okluze: Pro minimalizaci dopadu latence je často žádoucí používat konzervativní okluzi, kdy jsou objekty považovány za viditelné, i když je viditelný jen malý počet fragmentů. To může vést k vykreslování částečně zakrytých objektů, ale zabraňuje vizuálním artefaktům, které mohou nastat při agresivním occlusion culling.
• Výběr ohraničujícího objemu: Volba ohraničujícího objemu (např. ohraničující box, ohraničující sféra) pro dotaz na okluzi může výrazně ovlivnit výkon. Jednodušší ohraničující objemy se vykreslují rychleji, ale mohou vést k více falešně pozitivním výsledkům (tj. objekty, které jsou považovány za viditelné, i když jsou z větší části zakryté).
• Synchronizace: Získání výsledku dotazu vyžaduje synchronizaci mezi CPU a GPU. Tato synchronizace může způsobit prodlevy ve vykreslovacím pipeline, což může negativně ovlivnit výkon.
• Kompatibilita prohlížečů a hardwaru: Ujistěte se, že cílové prohlížeče a hardware podporují occlusion queries. I když jsou široce podporovány, starší systémy mohou tuto funkci postrádat, což vyžaduje záložní mechanismy.

Nejlepší postupy pro používání WebGL Occlusion Queries

Chcete-li maximalizovat výhody occlusion queries a minimalizovat výzvy, zvažte následující osvědčené postupy:

1. Používejte zjednodušené ohraničující objemy

Místo vykreslování celého, detailního objektu pro dotaz na okluzi, vykreslete zjednodušený ohraničující objem, jako je ohraničující box nebo ohraničující sféra. Tím se sníží zátěž při vykreslování a zrychlí se proces dotazování. Ohraničující objem by měl těsně obklopovat objekt, aby se minimalizovaly falešně pozitivní výsledky.

Příklad: Představte si složitý 3D model auta. Místo vykreslování celého modelu auta pro dotaz na okluzi byste mohli vykreslit jednoduchý ohraničující box, který auto obklopuje. Tento ohraničující box bude mnohem rychlejší na vykreslení než celý model auta.

2. Používejte hierarchický Occlusion Culling

U složitých scén zvažte použití hierarchického occlusion culling, kdy objekty uspořádáte do hierarchie ohraničujících objemů. Poté můžete provádět dotazy na okluzi nejprve na ohraničujících objemech vyšší úrovně. Pokud je ohraničující objem vyšší úrovně zakryt, můžete se vyhnout provádění dotazů na okluzi u jeho potomků. To může výrazně snížit počet požadovaných dotazů na okluzi.

Příklad: Představte si scénu s městem. Mohli byste uspořádat budovy do bloků a poté bloky do čtvrtí. Poté byste mohli provést dotazy na okluzi nejprve na čtvrtích. Pokud je čtvrť zakrytá, můžete se vyhnout provádění dotazů na okluzi na jednotlivých blocích a budovách v této čtvrti.

3. Využívejte koherenci snímků

Occlusion queries vykazují koherenci snímků, což znamená, že viditelnost objektu bude pravděpodobně podobná z jednoho snímku na druhý. Tuto koherenci snímků můžete využít ukládáním výsledků dotazů do mezipaměti a jejich použitím k předpovídání viditelnosti objektů v následujících snímcích. Tím se může snížit počet požadovaných dotazů na okluzi a zlepšit výkon.

Příklad: Pokud byl objekt viditelný v předchozím snímku, můžete předpokládat, že bude pravděpodobně viditelný i v aktuálním snímku. Poté můžete odložit provedení dotazu na okluzi na tomto objektu, dokud nebude pravděpodobně zakryt (např. pokud se přesune za jiný objekt).

4. Zvažte použití konzervativní okluze

Pro minimalizaci dopadu latence zvažte použití konzervativní okluze, kdy jsou objekty považovány za viditelné, i když je viditelný jen malý počet fragmentů. Toho lze dosáhnout nastavením prahové hodnoty pro výsledek dotazu. Pokud je výsledek dotazu nad prahovou hodnotou, je objekt považován za viditelný. V opačném případě je považován za zakrytý.

Příklad: Mohli byste nastavit prahovou hodnotu 10 fragmentů. Pokud je výsledek dotazu větší než 10, je objekt považován za viditelný. V opačném případě je považován za zakrytý. Vhodná prahová hodnota bude záviset na velikosti a složitosti objektů ve vaší scéně.

5. Implementujte záložní mechanismus

Ne všechny prohlížeče a hardware podporují occlusion queries. Je důležité implementovat záložní mechanismus, který lze použít, když occlusion queries nejsou k dispozici. To by mohlo zahrnovat použití jednoduššího algoritmu pro occlusion culling nebo úplné vypnutí occlusion culling.

Příklad: Mohli byste zkontrolovat, zda je podporováno rozšíření EXT_occlusion_query_boolean. Pokud ne, mohli byste se vrátit k použití jednoduchého algoritmu pro culling založeného na vzdálenosti, kdy se objekty, které jsou příliš daleko od kamery, nevykreslují.

6. Optimalizujte vykreslovací pipeline

Occlusion queries jsou jen jedním dílkem skládačky, pokud jde o optimalizaci výkonu vykreslování. Je také důležité optimalizovat zbytek vykreslovacího pipeline, včetně:

• Snížení počtu draw calls: Seskupování draw calls může výrazně snížit režii vykreslování.
• Použití efektivních shaderů: Optimalizace shaderů může zkrátit dobu strávenou zpracováním každého vertexu a fragmentu.
• Použití mipmappingu: Mipmapping může zlepšit výkon filtrování textur.
• Snížení overdraw: Overdraw nastává, když jsou fragmenty kresleny přes sebe, což plýtvá procesorovým časem.
• Použití instancingu: Instancing umožňuje vykreslit více kopií stejného objektu jediným draw call.

7. Asynchronní získávání výsledků dotazu

Získávání výsledku dotazu může způsobit prodlevy, pokud GPU ještě nedokončilo zpracování dotazu. Využití asynchronních mechanismů pro získávání, pokud jsou k dispozici, může pomoci toto zmírnit. Techniky mohou zahrnovat čekání na určitý počet snímků před získáním výsledku nebo použití dedikovaných worker vláken pro zpracování procesu získávání dotazu, čímž se zabrání blokování hlavního vykreslovacího vlákna.

Příklad kódu: Základní implementace Occlusion Query

Zde je zjednodušený příklad demonstrující základní použití occlusion queries ve WebGL:

// Vytvoření objektu dotazu const query = gl.createQuery(); // Zahájení dotazu gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query); // Vykreslení objektu (např. ohraničujícího boxu) gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, vertexCount); // Ukončení dotazu gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED); // Asynchronní získání výsledku dotazu (příklad s použitím requestAnimationFrame) function checkQueryResult() { gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT_AVAILABLE, (available) => { if (available) { gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT, (result) => { const isVisible = result > 0; // Použití výsledku viditelnosti k rozhodnutí, zda vykreslit celý objekt if (isVisible) { renderFullObject(); } }); } else { requestAnimationFrame(checkQueryResult); } }); } requestAnimationFrame(checkQueryResult);

Poznámka: Toto je zjednodušený příklad a neobsahuje ošetření chyb, správnou správu zdrojů ani pokročilé optimalizační techniky. Nezapomeňte jej přizpůsobit vaší konkrétní scéně a požadavkům. Ošetření chyb, zejména v souvislosti s podporou rozšíření a dostupností dotazů, je v produkčních prostředích klíčové. Je také třeba zvážit úpravy pro řešení různých potenciálních scénářů.

Occlusion Queries v reálných aplikacích

Occlusion queries se používají v široké škále reálných aplikací, včetně:

• Vývoj her: Occlusion culling je klíčová technika pro optimalizaci výkonu vykreslování ve hrách, zejména ve složitých scénách s mnoha objekty. Příkladem jsou AAA tituly vykreslované v prohlížeči pomocí WebAssembly a WebGL, stejně jako webové příležitostné hry s detailními prostředími.
• Architektonická vizualizace: Occlusion queries lze použít ke zlepšení výkonu architektonických vizualizací, což uživatelům umožňuje prozkoumávat velké a detailní modely budov v reálném čase. Představte si prozkoumávání virtuálního muzea s nesčetnými exponáty - occlusion culling zajišťuje plynulou navigaci.
• Geografické informační systémy (GIS): Occlusion queries lze použít k optimalizaci vykreslování velkých a složitých geografických datových sad, jako jsou města a krajiny. Například vizualizace 3D modelů městských panoramat v webovém prohlížeči pro simulace městského plánování může z occlusion culling výrazně těžit.
• Lékařské zobrazování: Occlusion queries lze použít ke zlepšení výkonu aplikací pro lékařské zobrazování, což lékařům umožňuje vizualizovat složité anatomické struktury v reálném čase.
• E-commerce: U webových stránek prezentujících 3D modely produktů mohou occlusion queries pomoci snížit zatížení GPU a zajistit plynulejší zážitek i na méně výkonných zařízeních. Zvažte prohlížení 3D modelu složitého kusu nábytku na mobilním zařízení; occlusion culling může pomoci udržet rozumnou snímkovou frekvenci.

Závěr

WebGL occlusion queries jsou mocným nástrojem pro optimalizaci výkonu vykreslování a zlepšení uživatelského zážitku ve webových aplikacích. Efektivním odstraňováním zakrytých objektů můžete snížit zátěž při vykreslování, zlepšit snímkovou frekvenci a umožnit složitější a detailnější scény. Ačkoli je třeba zvážit výzvy, jako je latence a režie dotazů, dodržování osvědčených postupů a pečlivé zvážení specifických potřeb vaší aplikace může odemknout plný potenciál occlusion queries. Zvládnutím těchto technik mohou vývojáři po celém světě poskytovat bohatší, působivější a výkonnější webové 3D zážitky.

Další zdroje

• Specifikace WebGL: Pro nejaktuálnější informace o occlusion queries se obraťte na oficiální specifikaci WebGL.
• Khronos Group: Prozkoumejte webové stránky Khronos Group pro zdroje týkající se WebGL a OpenGL ES.
• Online tutoriály a články: Hledejte online tutoriály a články o WebGL occlusion queries pro praktické příklady a pokročilé techniky.
• WebGL dema: Prozkoumejte existující WebGL dema, která využívají occlusion queries, abyste se poučili z reálných implementací.