WebGL Variable Rate Shading Hardware-support: GPU-kapacitetsdetektering

Variable Rate Shading (VRS) er en kraftfuld renderingsteknik, der giver udviklere mulighed for at kontrollere shading-hastigheden på tværs af forskellige områder af skærmen. Ved at reducere shading-hastigheden i områder, hvor detaljer er mindre vigtige, kan VRS markant forbedre rendering-ydeevnen uden et mærkbart fald i visuel kvalitet. Dette er især afgørende for enheder med begrænsede ressourcer og krævende applikationer som spil, simuleringer og virtual reality.

Dog er VRS en hardwareafhængig funktion. Ikke alle GPU'er understøtter det, og selv dem, der gør, kan have varierende kapaciteter. Derfor er nøjagtig detektering af VRS-hardware-support det første afgørende skridt for at udnytte denne teknologi effektivt i dine WebGL-applikationer. Dette blogindlæg vil guide dig gennem processen med at detektere VRS-support og forstå de forskellige niveauer af kapaciteter, du kan støde på.

Hvad er Variable Rate Shading (VRS)?

Traditionelt bliver hver pixel på skærmen "shaded" (dvs. dens farve bliver beregnet) individuelt. Denne ensartede shading-hastighed kan være spild af ressourcer, da nogle områder af skærmen måske ikke kræver så høj præcision. For eksempel kan regioner med lav kontrast eller hurtig bevægelse ofte blive shaded med en lavere hastighed uden en signifikant indvirkning på den opfattede visuelle kvalitet.

VRS giver udviklere mulighed for at specificere forskellige shading-hastigheder for forskellige regioner af skærmen. Dette gøres typisk ved at opdele skærmen i "tiles" eller blokke og tildele en shading-hastighed til hver tile. En lavere shading-hastighed betyder, at GPU'en vil shade færre pixels inden for den pågældende tile, hvilket effektivt reducerer rendering-belastningen.

Der er typisk to hovedtyper af VRS:

• Coarse Pixel Shading (CPS): Denne type VRS giver dig mulighed for at specificere shading-hastigheden på en per-tile basis. Tile-størrelsen er typisk lille, såsom 8x8 eller 16x16 pixels. CPS er en relativt simpel og effektiv form for VRS.
• Content Adaptive Shading (CAS): Denne mere avancerede form for VRS justerer dynamisk shading-hastigheden baseret på scenens indhold. For eksempel kan områder med høj detaljegrad eller bevægelse blive shaded med en højere hastighed, mens områder med lav detaljegrad eller statisk indhold kan blive shaded med en lavere hastighed. CAS kræver mere sofistikeret analyse af scenen, men det kan give endnu større ydeevneforbedringer.

Fordele ved at bruge VRS i WebGL

Implementering af VRS i dine WebGL-applikationer giver flere centrale fordele:

• Forbedret ydeevne: Ved at reducere shading-hastigheden i mindre kritiske områder kan VRS markant reducere rendering-belastningen, hvilket fører til højere billedhastigheder og en mere jævn ydeevne, især på enheder med lavere specifikationer.
• Forlænget batterilevetid: For mobile enheder og bærbare computere kan en reduceret rendering-belastning resultere i længere batterilevetid, hvilket giver brugerne mulighed for at nyde dine applikationer i længere tid.
• Forbedret visuel kvalitet (i nogle tilfælde): Selvom det kan virke modintuitivt, kan VRS undertiden forbedre den visuelle kvalitet ved at give dig mulighed for at allokere flere rendering-ressourcer til områder, der er visuelt vigtige. For eksempel kan du reducere shading-hastigheden i baggrunden og bruge de sparede ressourcer til at øge shading-hastigheden i forgrunden, hvilket resulterer i skarpere og mere detaljerede forgrundsobjekter.
• Skalerbarhed: VRS giver din applikation mulighed for at skalere bedre på tværs af forskellige hardwarekonfigurationer. På high-end GPU'er kan du bruge en højere shading-hastighed for at opnå maksimal visuel kvalitet, mens du på low-end GPU'er kan bruge en lavere shading-hastighed for at opretholde en acceptabel ydeevne.

Detektering af VRS Hardware-support i WebGL

Før du kan begynde at bruge VRS i din WebGL-applikation, skal du afgøre, om brugerens GPU understøtter det. Dette indebærer at kontrollere for tilstedeværelsen af de nødvendige WebGL-udvidelser.

1. Kontrol af `ANGLE_variable_rate_shading`-udvidelsen

Den primære udvidelse, der aktiverer VRS i WebGL, er `ANGLE_variable_rate_shading`. Du kan kontrollere for dens eksistens ved hjælp af `getExtension()`-metoden i WebGL-konteksten:

            const gl = canvas.getContext('webgl2');
if (!gl) {
  console.error('WebGL 2 understøttes ikke.');
  return;
}

const vrsExtension = gl.getExtension('ANGLE_variable_rate_shading');

if (vrsExtension) {
  console.log('Variable Rate Shading understøttes!');
} else {
  console.log('Variable Rate Shading understøttes ikke.');
}

            

              
                Copy
              
            
          

Vigtig bemærkning: `ANGLE_variable_rate_shading`-udvidelsen er en udvidelse leveret af ANGLE (Almost Native Graphics Layer Engine)-projektet. ANGLE bruges af mange browsere til at oversætte WebGL-kald til de native grafik-API'er på forskellige platforme (f.eks. Direct3D på Windows, Metal på macOS og iOS, Vulkan på Android). Derfor indikerer tilstedeværelsen af denne udvidelse, at den underliggende grafikdriver og hardware understøtter VRS, selvom den native WebGL-implementering ikke direkte eksponerer VRS-funktionalitet.

2. Undersøgelse af VRS-kapaciteter

Når du har bekræftet, at `ANGLE_variable_rate_shading`-udvidelsen er tilgængelig, skal du undersøge de specifikke kapaciteter i VRS-implementeringen. Udvidelsen giver flere konstanter og metoder, der giver dig mulighed for at forespørge disse kapaciteter.

a. Understøttede Shading-hastigheder

Udvidelsen definerer et sæt konstanter, der repræsenterer de understøttede shading-hastigheder. Disse konstanter er potenser af to og angiver antallet af pixels, der bliver shaded pr. fragment.

• `gl.SHADING_RATE_1X1_PIXELS`: Shade hver pixel (1x1).
• `gl.SHADING_RATE_1X2_PIXELS`: Shade hver anden pixel horisontalt (1x2).
• `gl.SHADING_RATE_2X1_PIXELS`: Shade hver anden pixel vertikalt (2x1).
• `gl.SHADING_RATE_2X2_PIXELS`: Shade hver anden pixel i begge dimensioner (2x2).
• `gl.SHADING_RATE_4X2_PIXELS`: Shade hver fjerde pixel horisontalt og hver anden pixel vertikalt (4x2).
• `gl.SHADING_RATE_2X4_PIXELS`: Shade hver anden pixel horisontalt og hver fjerde pixel vertikalt (2x4).
• `gl.SHADING_RATE_4X4_PIXELS`: Shade hver fjerde pixel i begge dimensioner (4x4).

For at afgøre, hvilke shading-hastigheder der rent faktisk understøttes af GPU'en, kan du bruge `getSupportedShadingRates()`-metoden fra udvidelsen. Denne metode returnerer en matrix af booleans, hvor hvert element angiver, om den tilsvarende shading-hastighed understøttes. Rækkefølgen af elementerne svarer til rækkefølgen af konstanterne, der er anført ovenfor.

            if (vrsExtension) {
  const supportedShadingRates = vrsExtension.getSupportedShadingRates();

  console.log('Understøttede Shading-hastigheder:');
  console.log('  1x1: ' + supportedShadingRates[0]);
  console.log('  1x2: ' + supportedShadingRates[1]);
  console.log('  2x1: ' + supportedShadingRates[2]);
  console.log('  2x2: ' + supportedShadingRates[3]);
  console.log('  4x2: ' + supportedShadingRates[4]);
  console.log('  2x4: ' + supportedShadingRates[5]);
  console.log('  4x4: ' + supportedShadingRates[6]);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Ved at undersøge `supportedShadingRates`-arrayet kan du bestemme, hvilke shading-hastigheder du sikkert kan bruge i din applikation.

b. Antal Shading Rate Combiners

`shadingRateCombinerCount`-egenskaben i udvidelsen angiver antallet af shading rate combiners, der understøttes af GPU'en. Shading rate combiners giver dig mulighed for at kombinere flere kilder til shading rate-information for at producere en endelig shading-hastighed. Jo flere combiners der er tilgængelige, jo mere fleksibel kan du være i styringen af shading-hastigheden.

            if (vrsExtension) {
  const shadingRateCombinerCount = vrsExtension.shadingRateCombinerCount;
  console.log('Antal Shading Rate Combiners: ' + shadingRateCombinerCount);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Typiske værdier for `shadingRateCombinerCount` er 1 eller 2. En værdi på 0 angiver, at shading rate combiners ikke understøttes.

c. Understøttelse af Shading Rate Image

`shadingRateImage` er en tekstur, der giver dig mulighed for at specificere shading-hastigheden på en per-tile basis. Udvidelsen giver en konstant, `gl.SHADING_RATE_IMAGE_OES`, der repræsenterer teksturmålet for shading rate-billedet. For at kontrollere om `shadingRateImage` understøttes, skal du forespørge `MAX_FRAGMENT_UNIFORM_VECTORS`-grænsen. Hvis antallet af tilgængelige fragment uniform vectors er tilstrækkeligt, understøtter driveren sandsynligvis `shadingRateImage`-funktionen. Hvis det maksimale antal er meget lavt, er funktionen sandsynligvis ikke understøttet.

Selvom `shadingRateImage` er standardmåden at udføre coarse pixel shading på, kan hardwareimplementeringer af VRS vælge at udelade den, og det bør detekteres ved kørselstid.

3. Håndtering af ikke-understøttet VRS

Hvis `ANGLE_variable_rate_shading`-udvidelsen ikke er tilgængelig, eller hvis de understøttede shading-hastigheder er begrænsede, bør du elegant falde tilbage til en standard rendering-sti. Dette kan indebære at bruge en højere shading-hastighed eller helt deaktivere VRS. Det er afgørende at undgå at stole på VRS, hvis det ikke understøttes korrekt, da dette kan føre til rendering-fejl eller ydeevneproblemer.

Eksempel: Detektering og brug af VRS i en WebGL-applikation

Her er et mere komplet eksempel, der demonstrerer, hvordan man detekterer VRS-support og bruger det til at justere shading-hastigheden i en simpel WebGL-applikation:

            
// Hent WebGL2-konteksten
const canvas = document.getElementById('glCanvas');
const gl = canvas.getContext('webgl2');

if (!gl) {
  console.error('WebGL 2 understøttes ikke.');
  // Fallback til en rendering-sti uden VRS
  return;
}

// Hent ANGLE_variable_rate_shading-udvidelsen
const vrsExtension = gl.getExtension('ANGLE_variable_rate_shading');

if (!vrsExtension) {
  console.log('Variable Rate Shading understøttes ikke.');
  // Fallback til en rendering-sti uden VRS
  return;
}

// Kontrollér understøttede shading-hastigheder
const supportedShadingRates = vrsExtension.getSupportedShadingRates();

// Bestem den laveste understøttede shading-hastighed (bortset fra 1x1)
let lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_1X1_PIXELS; // Standard er 1x1
if (supportedShadingRates[1]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_1X2_PIXELS;
} else if (supportedShadingRates[2]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_2X1_PIXELS;
} else if (supportedShadingRates[3]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_2X2_PIXELS;
} else if (supportedShadingRates[4]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_4X2_PIXELS;
} else if (supportedShadingRates[5]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_2X4_PIXELS;
} else if (supportedShadingRates[6]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_4X4_PIXELS;
}

console.log('Laveste understøttede shading-hastighed: ' + lowestShadingRate);

// Indstil shading-hastigheden for et specifikt område (f.eks. hele skærmen)
// Dette ville typisk indebære at oprette et shading rate-billede og binde det til den passende teksturenhed.
// Følgende er et forenklet eksempel, der kun indstiller shading-hastigheden globalt.

// Antaget at du har et program og er ved at tegne...

function drawScene(){
  // Bind den passende framebuffer (hvis nødvendigt)

  // Kald udvidelsesfunktionen for at indstille shading-hastigheden (forenklet eksempel)
  // I en rigtig applikation ville dette indebære opsætning af et shading rate-billede.
  //vrsExtension.setShadingRate(lowestShadingRate);  //Dette er en hypotetisk funktion og vil ikke virke, den er her som et eksempel på, hvad den ville gøre.

  // Tegn din scene
  //gl.drawArrays(...);
}

// Render-loop
function render() {
  // ... opdatér din scene ...
  drawScene();
  requestAnimationFrame(render);
}

requestAnimationFrame(render);


            

              
                Copy
              
            
          

Vigtige overvejelser:

• Shading Rate Image: Eksemplet ovenfor giver en forenklet illustration. I et virkeligt scenarie ville du typisk oprette et shading rate-billede (en tekstur) og binde det til en teksturenhed. Dette billede ville indeholde shading rate-værdierne for hver tile på skærmen. Du ville derefter bruge de passende WebGL-funktioner til at sample dette billede i din fragment shader og anvende den tilsvarende shading-hastighed. Detaljerne om oprettelse og brug af et shading rate-billede er uden for rammerne af dette indledende blogindlæg, men vil blive dækket i fremtidige artikler.
• Ydeevnemåling: Det er afgørende at omhyggeligt måle ydeevneeffekten af VRS i din applikation. Selvom VRS ofte kan forbedre ydeevnen, kan det også introducere overhead på grund af behovet for at administrere shading rate-billedet og udføre de nødvendige beregninger i fragment shaderen. Brug WebGL-værktøjer til ydeevneanalyse for at bestemme de optimale shading-hastigheder for din applikation.

Bedste praksis for brug af VRS i WebGL

For at få mest muligt ud af VRS i dine WebGL-applikationer, overvej følgende bedste praksis:

• Prioritér visuel kvalitet: Når du vælger shading-hastigheder, skal du prioritere visuel kvalitet over ydeevne. Start med en højere shading-hastighed og reducer den gradvist, indtil du bemærker et betydeligt fald i visuel kvalitet.
• Brug Content-Adaptive Shading (hvis tilgængeligt): Hvis din GPU understøtter content-adaptive shading, skal du bruge det til dynamisk at justere shading-hastigheden baseret på scenens indhold. Dette kan give endnu større ydeevneforbedringer uden en mærkbar indvirkning på den visuelle kvalitet.
• Overvej Tile-størrelsen: Tile-størrelsen påvirker granulariteten af shading rate-kontrollen. Mindre tile-størrelser giver mulighed for mere præcis kontrol, men de øger også overheaden ved at administrere shading rate-billedet. Eksperimenter med forskellige tile-størrelser for at finde den optimale balance mellem præcision og ydeevne.
• Brug VRS i kombination med andre optimeringsteknikker: VRS er kun ét værktøj i dit optimeringsarsenal. Brug det i forbindelse med andre teknikker, såsom level-of-detail (LOD) skalering, occlusion culling og teksturkomprimering, for at opnå maksimal ydeevne.
• Test på en række forskellige enheder: Test din applikation på en række forskellige enheder for at sikre, at VRS fungerer korrekt, og at det giver de forventede ydeevneforbedringer. Forskellige GPU'er kan have forskellige VRS-kapaciteter, så det er vigtigt at teste på et repræsentativt udvalg af hardware.

Konklusion

Variable Rate Shading er en lovende teknik til at forbedre rendering-ydeevnen i WebGL-applikationer. Ved omhyggeligt at detektere VRS-hardware-support og følge de bedste praksisser, der er beskrevet i dette blogindlæg, kan du udnytte VRS til at skabe mere effektive og visuelt tiltalende WebGL-oplevelser. Efterhånden som WebGL fortsætter med at udvikle sig, kan vi forvente at se endnu mere avancerede VRS-funktioner og -teknikker blive tilgængelige, hvilket yderligere vil styrke udviklere i at skabe imponerende og performante webbaserede grafikker.

Husk altid at prioritere visuel kvalitet og omhyggeligt måle ydeevneeffekten af VRS i din applikation. Ved at gøre det kan du sikre, at du bruger VRS effektivt for at opnå de bedst mulige resultater.