WebGL Transform Feedback Varying: Detailní zachycení atributů vertexů

Transform Feedback je výkonná funkce WebGL, která umožňuje zachytit výstup vertex shaderů a použít jej jako vstup pro následné renderovací průchody. Tato technika otevírá dveře k široké škále pokročilých renderovacích efektů a úloh zpracování geometrie přímo na GPU. Klíčovým aspektem Transform Feedback je pochopení, jak specifikovat, které atributy vertexů mají být zachyceny, známé jako "varying". Tento průvodce poskytuje komplexní přehled WebGL Transform Feedback se zaměřením na zachycení atributů vertexů pomocí varying.

Co je Transform Feedback?

Tradičně renderování ve WebGL zahrnuje odeslání dat vertexů na GPU, jejich zpracování pomocí vertex a fragment shaderů a zobrazení výsledných pixelů na obrazovce. Výstup vertex shaderu, po oříznutí a perspektivní divizi, je obvykle zahozen. Transform Feedback mění toto paradigma tím, že umožňuje zachytit a uložit tyto výsledky po zpracování vertex shaderem zpět do buffer objektu.

Představte si scénář, kde chcete simulovat fyziku částic. Mohli byste aktualizovat pozice částic na CPU a odesílat aktualizovaná data zpět na GPU pro renderování v každém snímku. Transform Feedback nabízí efektivnější přístup tím, že provádí fyzikální výpočty (pomocí vertex shaderu) na GPU a přímo zachycuje aktualizované pozice částic zpět do bufferu, připraveného pro renderování dalšího snímku. To snižuje zátěž CPU a zlepšuje výkon, zejména u složitých simulací.

Klíčové koncepty Transform Feedback

• Vertex Shader: Jádro Transform Feedback. Vertex shader provádí výpočty, jejichž výsledky jsou zachyceny.
• Varying proměnné: Jsou to výstupní proměnné z vertex shaderu, které chcete zachytit. Definují, které atributy vertexů jsou zapsány zpět do buffer objektu.
• Buffer objekty: Úložiště, kam jsou zapsány zachycené atributy vertexů. Tyto buffery jsou navázány na objekt Transform Feedback.
• Transform Feedback objekt: Objekt WebGL, který spravuje proces zachycování atributů vertexů. Definuje cílové buffery a varying proměnné.
• Režim primitiv (Primitive Mode): Specifikuje typ primitiv (body, čáry, trojúhelníky) generovaných vertex shaderem. To je důležité pro správné rozložení bufferu.

Nastavení Transform Feedback ve WebGL

Proces použití Transform Feedback zahrnuje několik kroků:

1. Vytvoření a konfigurace objektu Transform Feedback:

   Použijte gl.createTransformFeedback() k vytvoření objektu Transform Feedback. Poté jej navažte pomocí gl.bindTransformFeedback(gl.TRANSFORM_FEEDBACK, transformFeedback).

2. Vytvoření a navázání buffer objektů:

   Vytvořte buffer objekty pomocí gl.createBuffer() pro uložení zachycených atributů vertexů. Každý buffer objekt navažte na cíl gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER pomocí gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, index, buffer). `index` odpovídá pořadí varying proměnných specifikovaných v shader programu.

3. Specifikace varying proměnných:

   Toto je klíčový krok. Před linkováním shader programu musíte WebGL sdělit, které výstupní proměnné (varying proměnné) z vertex shaderu mají být zachyceny. Použijte gl.transformFeedbackVaryings(program, varyings, bufferMode).

   • program: Objekt shader programu.
   • varyings: Pole řetězců, kde každý řetězec je název varying proměnné ve vertex shaderu. Pořadí těchto proměnných je důležité, protože určuje index navázání bufferu.
   • bufferMode: Specifikuje, jak jsou varying proměnné zapsány do buffer objektů. Běžné možnosti jsou gl.SEPARATE_ATTRIBS (každá varying proměnná jde do samostatného bufferu) a gl.INTERLEAVED_ATTRIBS (všechny varying proměnné jsou prokládány v jednom bufferu).
4. Vytvoření a kompilace shaderů:

   Vytvořte vertex a fragment shadery. Vertex shader musí mít jako výstup varying proměnné, které chcete zachytit. Fragment shader může, ale nemusí být potřeba, v závislosti na vaší aplikaci. Může být užitečný pro ladění.

5. Linkování shader programu:

   Slinkujte shader program pomocí gl.linkProgram(program). Je důležité zavolat gl.transformFeedbackVaryings() *před* linkováním programu.

6. Zahájení a ukončení Transform Feedback:

   Pro zahájení zachycování atributů vertexů zavolejte gl.beginTransformFeedback(primitiveMode), kde primitiveMode specifikuje typ generovaných primitiv (např. gl.POINTS, gl.LINES, gl.TRIANGLES). Po renderování zavolejte gl.endTransformFeedback() pro ukončení zachycování.

7. Vykreslení geometrie:

   Použijte gl.drawArrays() nebo gl.drawElements() k renderování geometrie. Vertex shader se spustí a specifikované varying proměnné budou zachyceny do buffer objektů.

Příklad: Zachycení pozic částic

Ukážeme si to na jednoduchém příkladu zachycení pozic částic. Předpokládejme, že máme vertex shader, který aktualizuje pozice částic na základě rychlosti a gravitace.

Vertex Shader (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);
}

Tento vertex shader přijímá a_position a a_velocity jako vstupní atributy. Vypočítá novou rychlost a pozici každé částice a výsledky uloží do varying proměnných v_position a v_velocity. `gl_Position` je nastavena na novou pozici pro renderování.

JavaScriptový kód

// ... inicializace WebGL kontextu ...

// 1. Vytvoření objektu Transform Feedback
const transformFeedback = gl.createTransformFeedback();
gl.bindTransformFeedback(gl.TRANSFORM_FEEDBACK, transformFeedback);

// 2. Vytvoření buffer objektů pro pozici a rychlost
const positionBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, particlePositions, gl.DYNAMIC_COPY); // Počáteční pozice částic

const velocityBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, velocityBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, particleVelocities, gl.DYNAMIC_COPY); // Počáteční rychlosti částic

// 3. Specifikace varying proměnných
const varyings = ['v_position', 'v_velocity'];
gl.transformFeedbackVaryings(program, varyings, gl.SEPARATE_ATTRIBS);  // Musí být zavoláno *před* linkováním programu.

// 4. Vytvoření a kompilace shaderů (vynecháno pro stručnost)
// ...

// 5. Linkování shader programu
gl.linkProgram(program);

// Navázání bufferů Transform Feedback
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, positionBuffer);  // Index 0 pro v_position
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 1, velocityBuffer);  // Index 1 pro v_velocity

// Získání umístění atributů
const positionLocation = gl.getAttribLocation(program, 'a_position');
const velocityLocation = gl.getAttribLocation(program, 'a_velocity');

// --- Renderovací smyčka ---
function render() {
 gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

 gl.useProgram(program);

 // Povolení atributů
 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. Zahájení Transform Feedback
 gl.enable(gl.RASTERIZER_DISCARD); // Vypnutí rasterizace
gl.beginTransformFeedback(gl.POINTS);

 // 7. Vykreslení geometrie
 gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, numParticles);

 // 8. Ukončení Transform Feedback
 gl.endTransformFeedback();
gl.disable(gl.RASTERIZER_DISCARD); // Opětovné zapnutí rasterizace

 // Prohození bufferů (volitelné, pokud chcete body vykreslit)
 // Například, znovu vykreslete aktualizovaný position buffer.

 requestAnimationFrame(render);
}

render();

V tomto příkladu:

• Vytvoříme dva buffer objekty, jeden pro pozice částic a druhý pro rychlosti.
• Specifikujeme v_position a v_velocity jako varying proměnné.
• Navážeme buffer pozic na index 0 a buffer rychlostí na index 1 bufferů Transform Feedback.
• Vypneme rasterizaci pomocí gl.enable(gl.RASTERIZER_DISCARD), protože chceme pouze zachytit data atributů vertexů; v tomto průchodu nechceme nic renderovat. To je důležité pro výkon.
• Zavoláme gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, numParticles) pro spuštění vertex shaderu na každé částici.
• Aktualizované pozice a rychlosti částic jsou zachyceny do buffer objektů.
• Po průchodu Transform Feedback byste mohli prohodit vstupní a výstupní buffery a renderovat částice na základě aktualizovaných pozic.

Varying proměnné: Detaily a úvahy

Parametr `varyings` v `gl.transformFeedbackVaryings()` je pole řetězců reprezentujících názvy výstupních proměnných z vašeho vertex shaderu, které chcete zachytit. Tyto proměnné musí:

• Být deklarovány jako out proměnné ve vertex shaderu.
• Mít shodný datový typ mezi výstupem vertex shaderu a úložištěm buffer objektu. Například, pokud je varying proměnná vec3, odpovídající buffer objekt musí být dostatečně velký pro uložení hodnot vec3 pro všechny vertexy.
• Být ve správném pořadí. Pořadí v poli `varyings` určuje index navázání bufferu. První varying bude zapsána do bufferu s indexem 0, druhá do indexu 1 a tak dále.

Zarovnání dat a rozložení bufferu

Pochopení zarovnání dat je klíčové pro správnou funkci Transform Feedback. Rozložení zachycených atributů vertexů v buffer objektech závisí na parametru bufferMode v `gl.transformFeedbackVaryings()`:

• gl.SEPARATE_ATTRIBS: Každá varying proměnná je zapsána do samostatného buffer objektu. Buffer objekt navázaný na index 0 bude obsahovat všechny hodnoty pro první varying, buffer objekt navázaný na index 1 bude obsahovat všechny hodnoty pro druhou varying a tak dále. Tento režim je obecně jednodušší na pochopení a ladění.
• gl.INTERLEAVED_ATTRIBS: Všechny varying proměnné jsou prokládány v jednom buffer objektu. Například, pokud máte dvě varying proměnné, v_position (vec3) a v_velocity (vec3), buffer bude obsahovat sekvenci vec3 (pozice), vec3 (rychlost), vec3 (pozice), vec3 (rychlost) a tak dále. Tento režim může být efektivnější pro určité případy použití, zejména když budou zachycená data použita jako prokládané atributy vertexů v následném renderovacím průchodu.

Shoda datových typů

Datové typy varying proměnných ve vertex shaderu musí být kompatibilní s formátem úložiště buffer objektů. Například, pokud deklarujete varying proměnnou jako out vec3 v_color, měli byste zajistit, že buffer objekt je dostatečně velký pro uložení hodnot vec3 (typicky hodnoty s plovoucí desetinnou čárkou) pro všechny vertexy. Neshodné datové typy mohou vést k neočekávaným výsledkům nebo chybám.

Práce s Rasterizer Discard

Při použití Transform Feedback pouze pro zachycení dat atributů vertexů (a ne pro renderování čehokoli v počátečním průchodu) je klíčové vypnout rasterizaci pomocí gl.enable(gl.RASTERIZER_DISCARD) před voláním gl.beginTransformFeedback(). To zabrání GPU v provádění zbytečných rasterizačních operací, což může výrazně zlepšit výkon. Nezapomeňte znovu zapnout rasterizaci pomocí gl.disable(gl.RASTERIZER_DISCARD) po volání gl.endTransformFeedback(), pokud máte v úmyslu něco renderovat v následném průchodu.

Případy použití Transform Feedback

Transform Feedback má četné aplikace v renderování WebGL, včetně:

• Systémy částic: Jak bylo ukázáno v příkladu, Transform Feedback je ideální pro aktualizaci pozic, rychlostí a dalších atributů částic přímo na GPU, což umožňuje efektivní simulace částic.
• Zpracování geometrie: Můžete použít Transform Feedback k provádění transformací geometrie, jako je deformace sítě, subdivize nebo zjednodušení, zcela na GPU. Představte si deformaci modelu postavy pro animaci.
• Dynamika kapalin: Simulaci proudění kapalin na GPU lze dosáhnout pomocí Transform Feedback. Aktualizujte pozice a rychlosti částic kapaliny a poté použijte samostatný renderovací průchod k vizualizaci kapaliny.
• Fyzikální simulace: Obecněji řečeno, jakákoli fyzikální simulace, která vyžaduje aktualizaci atributů vertexů, může těžit z Transform Feedback. To může zahrnovat simulaci látky, dynamiku tuhých těles nebo jiné fyzikálně založené efekty.
• Zpracování mračen bodů: Zachyťte zpracovaná data z mračen bodů pro vizualizaci nebo analýzu. To může zahrnovat filtrování, vyhlazování nebo extrakci rysů na GPU.
• Vlastní atributy vertexů: Vypočítejte vlastní atributy vertexů, jako jsou normálové vektory nebo texturové souřadnice, na základě jiných dat vertexů. To může být užitečné pro procedurální generační techniky.
• Před-průchody pro odložené stínování (Deferred Shading): Zachyťte data o pozici a normále do G-bufferů pro pipeline odloženého stínování. Tato technika umožňuje složitější výpočty osvětlení.

Úvahy o výkonu

Ačkoli Transform Feedback může nabídnout významné zlepšení výkonu, je důležité zvážit následující faktory:

• Velikost buffer objektu: Ujistěte se, že buffer objekty jsou dostatečně velké pro uložení všech zachycených atributů vertexů. Alokujte správnou velikost na základě počtu vertexů a datových typů varying proměnných.
• Náklady na přenos dat: Vyhněte se zbytečným přenosům dat mezi CPU a GPU. Použijte Transform Feedback k provedení co největšího množství zpracování na GPU.
• Rasterization Discard: Povolte gl.RASTERIZER_DISCARD, když je Transform Feedback používán pouze pro zachycení dat.
• Složitost shaderu: Optimalizujte kód vertex shaderu, abyste minimalizovali výpočetní náklady. Složité shadery mohou ovlivnit výkon, zejména při práci s velkým počtem vertexů.
• Prohazování bufferů (Buffer Swapping): Při použití Transform Feedback ve smyčce (např. pro simulaci částic) zvažte použití dvojitého bufferování (prohazování vstupních a výstupních bufferů), abyste se vyhnuli konfliktům čtení po zápisu.
• Typ primitiv: Volba typu primitiv (gl.POINTS, gl.LINES, gl.TRIANGLES) může ovlivnit výkon. Zvolte nejvhodnější typ primitiv pro vaši aplikaci.

Ladění Transform Feedback

Ladění Transform Feedback může být náročné, ale zde je několik tipů:

• Kontrola chyb: Použijte gl.getError() ke kontrole chyb WebGL po každém kroku nastavení Transform Feedback.
• Ověření velikostí bufferů: Ujistěte se, že buffer objekty jsou dostatečně velké pro uložení zachycených dat.
• Prozkoumání obsahu bufferu: Použijte gl.getBufferSubData() ke čtení obsahu buffer objektů zpět na CPU a prozkoumejte zachycená data. To může pomoci identifikovat problémy se zarovnáním dat nebo výpočty v shaderu.
• Použití debuggeru: Použijte WebGL debugger (např. Spector.js) k prozkoumání stavu WebGL a spuštění shaderu. To může poskytnout cenné informace o procesu Transform Feedback.
• Zjednodušení shaderu: Začněte s jednoduchým vertex shaderem, který má na výstupu jen několik varying proměnných. Postupně přidávejte složitost, jakmile ověříte každý krok.
• Kontrola pořadí varying proměnných: Dvakrát zkontrolujte, že pořadí varying proměnných v poli varyings odpovídá pořadí, ve kterém jsou zapsány ve vertex shaderu a indexům navázání bufferů.
• Vypnutí optimalizací: Dočasně vypněte optimalizace shaderu, abyste si usnadnili ladění.

Kompatibilita a rozšíření

Transform Feedback je podporován ve WebGL 2 a OpenGL ES 3.0 a vyšších. Ve WebGL 1 poskytuje podobnou funkcionalitu rozšíření OES_transform_feedback. Implementace ve WebGL 2 je však efektivnější a bohatší na funkce.

Zkontrolujte podporu rozšíření pomocí:

const transformFeedbackExtension = gl.getExtension('OES_transform_feedback');
if (transformFeedbackExtension) {
 // Použijte rozšíření
}

Závěr

WebGL Transform Feedback je výkonná technika pro zachycení dat atributů vertexů přímo na GPU. Pochopením konceptů varying proměnných, buffer objektů a objektu Transform Feedback můžete tuto funkci využít k vytváření pokročilých renderovacích efektů, provádění úloh zpracování geometrie a optimalizaci vašich aplikací WebGL. Nezapomeňte pečlivě zvážit zarovnání dat, velikosti bufferů a dopady na výkon při implementaci Transform Feedback. S pečlivým plánováním a laděním můžete odemknout plný potenciál této cenné schopnosti WebGL.