WebGL Occlusion Queries: Synlighedstestning og Ydeevneoptimering

Inden for WebGL-udvikling er ydeevne altafgørende. Komplekse scener med talrige objekter kan hurtigt belaste GPU'en, hvilket fører til tabte frames og en dårlig brugeroplevelse. En effektiv teknik til at imødegå dette er occlusion culling, hvor objekter, der er skjult bag andre, ikke renderes, hvilket sparer værdifuld behandlingstid. WebGL occlusion queries giver en mekanisme til effektivt at bestemme objekters synlighed, hvilket muliggør effektiv occlusion culling.

Hvad er WebGL Occlusion Queries?

En WebGL occlusion query er en funktion, der giver dig mulighed for at spørge GPU'en, hvor mange fragmenter (pixels) der blev tegnet af et specifikt sæt renderingskommandoer. I bund og grund sender du draw calls for et objekt, og GPU'en fortæller dig, om nogen af dets fragmenter bestod dybdetesten og rent faktisk var synlige. Denne information kan derefter bruges til at afgøre, om objektet er okkluderet af andre objekter i scenen. Hvis forespørgslen returnerer nul (eller et meget lille tal), betyder det, at objektet var helt (eller næsten helt) okkluderet og ikke behøver at blive renderet i efterfølgende frames. Denne teknik reducerer renderingsbyrden markant og forbedrer ydeevnen, især i komplekse scener.

Sådan fungerer Occlusion Queries: En forenklet oversigt

1. Opret et Query-objekt: Du opretter først et query-objekt ved hjælp af gl.createQuery(). Dette objekt vil indeholde resultaterne af occlusion-forespørgslen.
2. Start forespørgslen: Du starter forespørgslen ved hjælp af gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query). Målet gl.ANY_SAMPLES_PASSED specificerer, at vi er interesserede i, om nogen samples (fragmenter) bestod dybdetesten. Der findes andre mål, såsom gl.ANY_SAMPLES_PASSED_CONSERVATIVE (som giver et mere konservativt resultat, der potentielt inkluderer falske positiver for bedre ydeevne) og gl.SAMPLES_PASSED (som tæller antallet af samples, der bestod dybdetesten, og er forældet i WebGL2).
3. Render det potentielt okkluderede objekt: Du udsteder derefter draw calls for det objekt, du vil teste for synlighed. Dette er typisk en forenklet afgrænsningsboks (bounding box) eller en grov repræsentation af objektet. At rendere en forenklet version reducerer ydeevnepåvirkningen fra selve forespørgslen.
4. Afslut forespørgslen: Du afslutter forespørgslen ved hjælp af gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED).
5. Hent forespørgselsresultatet: Forespørgselsresultatet er ikke tilgængeligt med det samme. GPU'en har brug for tid til at behandle renderingskommandoerne og bestemme antallet af fragmenter, der bestod. Du kan hente resultatet ved hjælp af gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT).
6. Fortolk resultatet: Hvis forespørgselsresultatet er større end nul, betyder det, at mindst ét fragment af objektet var synligt. Hvis resultatet er nul, betyder det, at objektet var fuldstændig okkluderet.
7. Brug resultatet til Occlusion Culling: Baseret på forespørgselsresultatet kan du beslutte, om du vil rendere det fulde, detaljerede objekt i efterfølgende frames.

Fordele ved at bruge Occlusion Queries

• Forbedret renderingsydeevne: Ved at undgå at rendere okkluderede objekter kan occlusion queries markant reducere renderingsbyrden, hvilket fører til højere billedhastigheder og en mere jævn brugeroplevelse.
• Reduceret GPU-belastning: Mindre rendering betyder mindre arbejde for GPU'en, hvilket kan forbedre batterilevetiden på mobile enheder og reducere varmeudviklingen på stationære computere.
• Forbedret visuel kvalitet: Ved at optimere renderingsydeevnen har du råd til at rendere mere komplekse scener med større detaljegrad uden at ofre billedhastigheden.
• Skalerbarhed: Occlusion queries er især fordelagtige for komplekse scener med et stort antal objekter, da ydeevnegevinsterne stiger med scenens kompleksitet.

Udfordringer og overvejelser

Selvom occlusion queries tilbyder betydelige fordele, er der også nogle udfordringer og overvejelser, man skal have i tankerne:

• Latens: Occlusion queries introducerer latens, fordi forespørgselsresultatet ikke er tilgængeligt med det samme. GPU'en har brug for tid til at behandle renderingskommandoerne og bestemme antallet af fragmenter, der bestod. Denne latens kan føre til visuelle artefakter, hvis den ikke håndteres omhyggeligt.
• Query Overhead: Udførelse af occlusion queries medfører også en vis overhead. GPU'en skal spore forespørgslens tilstand og tælle de fragmenter, der består dybdetesten. Denne overhead kan ophæve ydeevnefordelene, hvis forespørgslerne ikke bruges med omtanke.
• Konservativ okklusion: For at minimere effekten af latens er det ofte ønskeligt at bruge konservativ okklusion, hvor objekter betragtes som synlige, selvom kun et lille antal fragmenter er synlige. Dette kan føre til rendering af objekter, der er delvist okkluderede, men det undgår de visuelle artefakter, der kan opstå med aggressiv occlusion culling.
• Valg af afgrænsningsvolumen: Valget af afgrænsningsvolumen (f.eks. bounding box, bounding sphere) til occlusion-forespørgslen kan have en betydelig indvirkning på ydeevnen. Enklere afgrænsningsvolumener er hurtigere at rendere, men kan resultere i flere falske positiver (dvs. objekter, der betragtes som synlige, selvom de for det meste er okkluderede).
• Synkronisering: Hentning af forespørgselsresultatet kræver synkronisering mellem CPU'en og GPU'en. Denne synkronisering kan introducere stop i renderingspipelinen, hvilket kan påvirke ydeevnen negativt.
• Browser- og hardwarekompatibilitet: Sørg for, at de relevante browsere og hardware understøtter occlusion queries. Selvom det er bredt understøttet, kan ældre systemer mangle denne funktion, hvilket kræver fallback-mekanismer.

Bedste praksis for brug af WebGL Occlusion Queries

For at maksimere fordelene ved occlusion queries og minimere udfordringerne, bør du overveje følgende bedste praksis:

1. Brug forenklede afgrænsningsvolumener

I stedet for at rendere det fulde, detaljerede objekt til occlusion-forespørgslen, skal du rendere et forenklet afgrænsningsvolumen, såsom en bounding box eller en bounding sphere. Dette reducerer renderingsbyrden og fremskynder forespørgselsprocessen. Afgrænsningsvolumenet skal omslutte objektet tæt for at minimere falske positiver.

Eksempel: Forestil dig en kompleks 3D-model af en bil. I stedet for at rendere hele bilmodellen til occlusion-forespørgslen, kunne du rendere en simpel afgrænsningsboks, der indkapsler bilen. Denne afgrænsningsboks vil være meget hurtigere at rendere end den fulde bilmodel.

2. Brug hierarkisk Occlusion Culling

For komplekse scener kan du overveje at bruge hierarkisk occlusion culling, hvor du organiserer objekter i et hierarki af afgrænsningsvolumener. Du kan derefter udføre occlusion queries på de øverste niveauer af afgrænsningsvolumener først. Hvis et afgrænsningsvolumen på et højere niveau er okkluderet, kan du undgå at udføre occlusion queries på dets underordnede elementer. Dette kan markant reducere antallet af nødvendige occlusion queries.

Eksempel: Forestil dig en scene med en by. Du kunne organisere bygningerne i blokke og derefter organisere blokkene i distrikter. Du kunne så udføre occlusion queries på distrikterne først. Hvis et distrikt er okkluderet, kan du undgå at udføre occlusion queries på de enkelte blokke og bygninger inden for det distrikt.

3. Udnyt frame-kohærens

Occlusion queries udviser frame-kohærens, hvilket betyder, at et objekts synlighed sandsynligvis vil være den samme fra en frame til den næste. Du kan udnytte denne frame-kohærens ved at cache forespørgselsresultaterne og bruge dem til at forudsige objekters synlighed i efterfølgende frames. Dette kan reducere antallet af nødvendige occlusion queries og forbedre ydeevnen.

Eksempel: Hvis et objekt var synligt i den forrige frame, kan du antage, at det sandsynligvis også er synligt i den nuværende frame. Du kan derefter udskyde udførelsen af en occlusion query på det objekt, indtil det er sandsynligt, at det bliver okkluderet (f.eks. hvis det bevæger sig bag et andet objekt).

4. Overvej at bruge konservativ okklusion

For at minimere effekten af latens kan du overveje at bruge konservativ okklusion, hvor objekter betragtes som synlige, selvom kun et lille antal fragmenter er synlige. Dette kan opnås ved at indstille en tærskelværdi for forespørgselsresultatet. Hvis forespørgselsresultatet er over tærskelværdien, betragtes objektet som synligt. Ellers betragtes det som okkluderet.

Eksempel: Du kunne indstille en tærskelværdi på 10 fragmenter. Hvis forespørgselsresultatet er større end 10, betragtes objektet som synligt. Ellers betragtes det som okkluderet. Den passende tærskelværdi afhænger af størrelsen og kompleksiteten af objekterne i din scene.

5. Implementer en fallback-mekanisme

Ikke alle browsere og hardware understøtter occlusion queries. Det er vigtigt at implementere en fallback-mekanisme, der kan bruges, når occlusion queries ikke er tilgængelige. Dette kan involvere brugen af en enklere occlusion culling-algoritme eller blot at deaktivere occlusion culling helt.

Eksempel: Du kunne tjekke, om EXT_occlusion_query_boolean-udvidelsen understøttes. Hvis den ikke gør, kunne du falde tilbage på at bruge en simpel afstandsbaseret culling-algoritme, hvor objekter, der er for langt væk fra kameraet, ikke renderes.

6. Optimer renderingspipelinen

Occlusion queries er kun én brik i puslespillet, når det kommer til at optimere renderingsydeevnen. Det er også vigtigt at optimere resten af renderingspipelinen, herunder:

• Reducering af antallet af draw calls: At samle draw calls (batching) kan markant reducere overhead ved rendering.
• Brug af effektive shaders: Optimering af shaders kan reducere den tid, der bruges på at behandle hver vertex og hvert fragment.
• Brug af mipmapping: Mipmapping kan forbedre ydeevnen for teksturfiltrering.
• Reducering af overdraw: Overdraw opstår, når fragmenter tegnes oven på hinanden, hvilket spilder behandlingstid.
• Brug af instancing: Instancing giver dig mulighed for at rendere flere kopier af det samme objekt med et enkelt draw call.

7. Asynkron hentning af forespørgsler

Hentning af forespørgselsresultatet kan forårsage stop, hvis GPU'en ikke er færdig med at behandle forespørgslen. Brug af asynkrone hentningsmekanismer, hvis de er tilgængelige, kan hjælpe med at afbøde dette. Teknikker kan involvere at vente et vist antal frames, før resultatet hentes, eller at bruge dedikerede worker threads til at håndtere hentningsprocessen, for at undgå at blokere den primære renderingstråd.

Kodeeksempel: En grundlæggende implementering af Occlusion Query

Her er et forenklet eksempel, der demonstrerer den grundlæggende brug af occlusion queries i WebGL:

// Opret et query-objekt const query = gl.createQuery(); // Start forespørgslen gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query); // Render objektet (f.eks. en afgrænsningsboks) gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, vertexCount); // Afslut forespørgslen gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED); // Hent forespørgselsresultatet asynkront (eksempel med requestAnimationFrame) function checkQueryResult() { gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT_AVAILABLE, (available) => { if (available) { gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT, (result) => { const isVisible = result > 0; // Brug synlighedsresultatet til at beslutte, om det fulde objekt skal renderes if (isVisible) { renderFullObject(); } }); } else { requestAnimationFrame(checkQueryResult); } }); } requestAnimationFrame(checkQueryResult);

Bemærk: Dette er et forenklet eksempel og inkluderer ikke fejlhåndtering, korrekt ressourcestyring eller avancerede optimeringsteknikker. Husk at tilpasse dette til din specifikke scene og dine krav. Fejlhåndtering, især omkring understøttelse af udvidelser og tilgængelighed af forespørgsler, er afgørende i produktionsmiljøer. Tilpasninger til håndtering af forskellige potentielle scenarier skal også overvejes.

Occlusion Queries i virkelige applikationer

Occlusion queries bruges i en bred vifte af virkelige applikationer, herunder:

• Spiludvikling: Occlusion culling er en afgørende teknik til at optimere renderingsydeevnen i spil, især i komplekse scener med mange objekter. Eksempler inkluderer AAA-titler, der renderes i en browser ved hjælp af WebAssembly og WebGL, samt webbaserede casual-spil med detaljerede miljøer.
• Arkitektonisk visualisering: Occlusion queries kan bruges til at forbedre ydeevnen af arkitektoniske visualiseringer, hvilket giver brugerne mulighed for at udforske store og detaljerede bygningsmodeller i realtid. Forestil dig at udforske et virtuelt museum med utallige udstillinger - occlusion culling sikrer en jævn navigation.
• Geografiske Informationssystemer (GIS): Occlusion queries kan bruges til at optimere renderingen af store og komplekse geografiske datasæt, såsom byer og landskaber. For eksempel kan visualisering af 3D-modeller af bylandskaber i en webbrowser til byplanlægningssimuleringer have stor gavn af occlusion culling.
• Medicinsk billeddannelse: Occlusion queries kan bruges til at forbedre ydeevnen af medicinske billeddannelsesapplikationer, hvilket giver læger mulighed for at visualisere komplekse anatomiske strukturer i realtid.
• E-handel: For websteder, der præsenterer 3D-modeller af produkter, kan occlusion queries hjælpe med at reducere GPU-belastningen og sikre en mere jævn oplevelse selv på mindre kraftfulde enheder. Overvej at se en 3D-model af et komplekst møbel på en mobil enhed; occlusion culling kan hjælpe med at opretholde en fornuftig billedhastighed.

Konklusion

WebGL occlusion queries er et kraftfuldt værktøj til at optimere renderingsydeevnen og forbedre brugeroplevelsen i webapplikationer. Ved effektivt at fjerne okkluderede objekter (culling) kan du reducere renderingsbyrden, forbedre billedhastigheder og muliggøre mere komplekse og detaljerede scener. Selvom der er udfordringer at overveje, såsom latens og query overhead, kan du ved at følge bedste praksis og omhyggeligt overveje din applikations specifikke behov frigøre det fulde potentiale i occlusion queries. Ved at mestre disse teknikker kan udviklere over hele verden levere rigere, mere fordybende og effektive webbaserede 3D-oplevelser.

Yderligere ressourcer

• WebGL-specifikation: Se den officielle WebGL-specifikation for den mest opdaterede information om occlusion queries.
• Khronos Group: Udforsk Khronos Groups hjemmeside for ressourcer relateret til WebGL og OpenGL ES.
• Online-vejledninger og -artikler: Søg efter online-vejledninger og -artikler om WebGL occlusion queries for praktiske eksempler og avancerede teknikker.
• WebGL-demoer: Undersøg eksisterende WebGL-demoer, der anvender occlusion queries, for at lære af virkelige implementeringer.