WebGL Variable Rate Shading Hardware-Unterstützung: Erkennung von GPU-Fähigkeiten

Variable Rate Shading (VRS) ist eine leistungsstarke Rendering-Technik, die es Entwicklern ermöglicht, die Shading-Rate in verschiedenen Bereichen des Bildschirms zu steuern. Durch die Reduzierung der Shading-Rate in Bereichen, in denen Details weniger wichtig sind, kann VRS die Rendering-Leistung erheblich verbessern, ohne einen merklichen Rückgang der visuellen Qualität. Dies ist besonders wichtig für ressourcenbeschränkte Geräte und anspruchsvolle Anwendungen wie Spiele, Simulationen und virtuelle Realität.

VRS ist jedoch eine hardwareabhängige Funktion. Nicht alle GPUs unterstützen sie, und selbst diejenigen, die es tun, haben möglicherweise unterschiedliche Fähigkeiten. Daher ist die genaue Erkennung der VRS-Hardware-Unterstützung der erste entscheidende Schritt, um diese Technologie in Ihren WebGL-Anwendungen effektiv zu nutzen. Dieser Blogbeitrag führt Sie durch den Prozess der Erkennung der VRS-Unterstützung und des Verständnisses der verschiedenen Fähigkeitsstufen, auf die Sie stoßen könnten.

Was ist Variable Rate Shading (VRS)?

Traditionell wird jedes Pixel auf dem Bildschirm einzeln schattiert (d. h. seine Farbe wird berechnet). Diese einheitliche Shading-Rate kann verschwenderisch sein, da einige Bereiche des Bildschirms möglicherweise keine so hohe Präzision erfordern. Beispielsweise können Regionen mit geringem Kontrast oder schneller Bewegung oft mit einer niedrigeren Rate schattiert werden, ohne dass die wahrgenommene visuelle Qualität wesentlich beeinträchtigt wird.

VRS ermöglicht es Entwicklern, unterschiedliche Shading-Raten für verschiedene Bereiche des Bildschirms festzulegen. Dies geschieht typischerweise, indem der Bildschirm in Kacheln oder Blöcke unterteilt wird und jeder Kachel eine Shading-Rate zugewiesen wird. Eine niedrigere Shading-Rate bedeutet, dass die GPU weniger Pixel innerhalb dieser Kachel schattiert, was die Rendering-Last effektiv reduziert.

Es gibt typischerweise zwei Haupttypen von VRS:

• Coarse Pixel Shading (CPS): Dieser Typ von VRS ermöglicht es Ihnen, die Shading-Rate auf Kachelbasis festzulegen. Die Kachelgröße ist typischerweise klein, wie z. B. 8x8 oder 16x16 Pixel. CPS ist eine relativ einfache und effiziente Form von VRS.
• Content Adaptive Shading (CAS): Diese fortschrittlichere Form von VRS passt die Shading-Rate dynamisch an den Inhalt der Szene an. Beispielsweise können Bereiche mit hoher Detailgenauigkeit oder Bewegung mit einer höheren Rate schattiert werden, während Bereiche mit geringer Detailgenauigkeit oder statischem Inhalt mit einer niedrigeren Rate schattiert werden könnten. CAS erfordert eine ausgefeiltere Analyse der Szene, kann aber noch größere Leistungssteigerungen bieten.

Vorteile der Verwendung von VRS in WebGL

Die Implementierung von VRS in Ihren WebGL-Anwendungen bietet mehrere entscheidende Vorteile:

• Verbesserte Leistung: Durch die Reduzierung der Shading-Rate in weniger kritischen Bereichen kann VRS die Rendering-Last erheblich reduzieren, was zu höheren Bildraten und einer flüssigeren Leistung führt, insbesondere auf leistungsschwächeren Geräten.
• Erhöhte Akkulaufzeit: Bei mobilen Geräten und Laptops kann eine Reduzierung der Rendering-Last zu einer längeren Akkulaufzeit führen, sodass Benutzer Ihre Anwendungen länger genießen können.
• Verbesserte visuelle Qualität (in einigen Fällen): Obwohl es kontraintuitiv erscheinen mag, kann VRS manchmal die visuelle Qualität verbessern, indem es Ihnen ermöglicht, mehr Rendering-Ressourcen den visuell wichtigen Bereichen zuzuweisen. Sie könnten beispielsweise die Shading-Rate im Hintergrund reduzieren und die gesparten Ressourcen verwenden, um die Shading-Rate im Vordergrund zu erhöhen, was zu schärferen und detaillierteren Vordergrundobjekten führt.
• Skalierbarkeit: VRS ermöglicht es Ihrer Anwendung, besser auf verschiedenen Hardwarekonfigurationen zu skalieren. Auf High-End-GPUs können Sie eine höhere Shading-Rate verwenden, um maximale visuelle Qualität zu erzielen, während Sie auf Low-End-GPUs eine niedrigere Shading-Rate verwenden können, um eine akzeptable Leistung aufrechtzuerhalten.

Erkennung der VRS-Hardware-Unterstützung in WebGL

Bevor Sie VRS in Ihrer WebGL-Anwendung verwenden können, müssen Sie feststellen, ob die GPU des Benutzers es unterstützt. Dies beinhaltet die Überprüfung auf das Vorhandensein der erforderlichen WebGL-Erweiterungen.

1. Überprüfung der `ANGLE_variable_rate_shading`-Erweiterung

Die primäre Erweiterung, die VRS in WebGL ermöglicht, ist `ANGLE_variable_rate_shading`. Sie können ihre Existenz mit der `getExtension()`-Methode des WebGL-Kontexts überprüfen:

            const gl = canvas.getContext('webgl2');
if (!gl) {
  console.error('WebGL 2 is not supported.');
  return;
}

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

if (vrsExtension) {
  console.log('Variable Rate Shading is supported!');
} else {
  console.log('Variable Rate Shading is not supported.');
}

            

              
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Wichtiger Hinweis: Die `ANGLE_variable_rate_shading`-Erweiterung ist eine Erweiterung, die vom ANGLE (Almost Native Graphics Layer Engine)-Projekt bereitgestellt wird. ANGLE wird von vielen Browsern verwendet, um WebGL-Aufrufe in die nativen Grafik-APIs verschiedener Plattformen zu übersetzen (z. B. Direct3D unter Windows, Metal unter macOS und iOS, Vulkan unter Android). Daher deutet das Vorhandensein dieser Erweiterung darauf hin, dass der zugrunde liegende Grafiktreiber und die Hardware VRS unterstützen, auch wenn die native WebGL-Implementierung die VRS-Funktionalität nicht direkt offenlegt.

2. Untersuchung der VRS-Fähigkeiten

Sobald Sie bestätigt haben, dass die `ANGLE_variable_rate_shading`-Erweiterung verfügbar ist, müssen Sie die spezifischen Fähigkeiten der VRS-Implementierung untersuchen. Die Erweiterung bietet mehrere Konstanten und Methoden, mit denen Sie diese Fähigkeiten abfragen können.

a. Unterstützte Shading-Raten

Die Erweiterung definiert eine Reihe von Konstanten, die die unterstützten Shading-Raten repräsentieren. Diese Konstanten sind Zweierpotenzen und geben die Anzahl der Pixel an, die pro Fragment schattiert werden.

• `gl.SHADING_RATE_1X1_PIXELS`: Jedes Pixel schattieren (1x1).
• `gl.SHADING_RATE_1X2_PIXELS`: Jedes zweite Pixel horizontal schattieren (1x2).
• `gl.SHADING_RATE_2X1_PIXELS`: Jedes zweite Pixel vertikal schattieren (2x1).
• `gl.SHADING_RATE_2X2_PIXELS`: Jedes zweite Pixel in beiden Dimensionen schattieren (2x2).
• `gl.SHADING_RATE_4X2_PIXELS`: Jedes vierte Pixel horizontal und jedes zweite Pixel vertikal schattieren (4x2).
• `gl.SHADING_RATE_2X4_PIXELS`: Jedes zweite Pixel horizontal und jedes vierte Pixel vertikal schattieren (2x4).
• `gl.SHADING_RATE_4X4_PIXELS`: Jedes vierte Pixel in beiden Dimensionen schattieren (4x4).

Um festzustellen, welche Shading-Raten tatsächlich von der GPU unterstützt werden, können Sie die `getSupportedShadingRates()`-Methode der Erweiterung verwenden. Diese Methode gibt ein Array von Booleans zurück, wobei jedes Element angibt, ob die entsprechende Shading-Rate unterstützt wird. Die Reihenfolge der Elemente entspricht der Reihenfolge der oben aufgeführten Konstanten.

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

  console.log('Unterstützte Shading-Raten:');
  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
              
            
          

Durch die Untersuchung des `supportedShadingRates`-Arrays können Sie feststellen, welche Shading-Raten Sie sicher in Ihrer Anwendung verwenden können.

b. Anzahl der Shading-Rate-Kombinierer

Die Eigenschaft `shadingRateCombinerCount` der Erweiterung gibt die Anzahl der von der GPU unterstützten Shading-Rate-Kombinierer an. Shading-Rate-Kombinierer ermöglichen es Ihnen, mehrere Quellen von Shading-Rate-Informationen zu kombinieren, um eine endgültige Shading-Rate zu erzeugen. Je mehr Kombinierer verfügbar sind, desto flexibler können Sie bei der Steuerung der Shading-Rate sein.

            if (vrsExtension) {
  const shadingRateCombinerCount = vrsExtension.shadingRateCombinerCount;
  console.log('Anzahl der Shading-Rate-Kombinierer: ' + shadingRateCombinerCount);
}

            

              
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Typische Werte für `shadingRateCombinerCount` sind 1 oder 2. Ein Wert von 0 zeigt an, dass Shading-Rate-Kombinierer nicht unterstützt werden.

c. Unterstützung für Shading-Rate-Images

Das `shadingRateImage` ist eine Textur, mit der Sie die Shading-Rate auf Kachelbasis festlegen können. Die Erweiterung bietet eine Konstante, `gl.SHADING_RATE_IMAGE_OES`, die das Texturziel für das Shading-Rate-Image darstellt. Um zu überprüfen, ob das `shadingRateImage` unterstützt wird, fragen Sie das `MAX_FRAGMENT_UNIFORM_VECTORS`-Limit ab. Wenn die Anzahl der verfügbaren Fragment-Uniform-Vektoren ausreicht, unterstützt der Treiber wahrscheinlich die `shadingRateImage`-Funktion. Wenn die maximale Anzahl sehr niedrig ist, wird die Funktion wahrscheinlich nicht unterstützt.

Obwohl `shadingRateImage` der Standardweg zur Durchführung von Coarse Pixel Shading ist, können Hardware-Implementierungen von VRS darauf verzichten, was zur Laufzeit erkannt werden sollte.

3. Umgang mit nicht unterstütztem VRS

Wenn die `ANGLE_variable_rate_shading`-Erweiterung nicht verfügbar ist oder die unterstützten Shading-Raten begrenzt sind, sollten Sie elegant auf einen Standard-Rendering-Pfad zurückgreifen. Dies könnte die Verwendung einer höheren Shading-Rate oder die vollständige Deaktivierung von VRS beinhalten. Es ist entscheidend, sich nicht auf VRS zu verlassen, wenn es nicht ordnungsgemäß unterstützt wird, da dies zu Rendering-Fehlern oder Leistungsproblemen führen kann.

Beispiel: Erkennung und Verwendung von VRS in einer WebGL-Anwendung

Hier ist ein vollständigeres Beispiel, das zeigt, wie man die VRS-Unterstützung erkennt und sie verwendet, um die Shading-Rate in einer einfachen WebGL-Anwendung anzupassen:

            
// Den WebGL2-Kontext abrufen
const canvas = document.getElementById('glCanvas');
const gl = canvas.getContext('webgl2');

if (!gl) {
  console.error('WebGL 2 wird nicht unterstützt.');
  // Fallback auf einen Rendering-Pfad ohne VRS
  return;
}

// Die ANGLE_variable_rate_shading-Erweiterung abrufen
const vrsExtension = gl.getExtension('ANGLE_variable_rate_shading');

if (!vrsExtension) {
  console.log('Variable Rate Shading wird nicht unterstützt.');
  // Fallback auf einen Rendering-Pfad ohne VRS
  return;
}

// Unterstützte Shading-Raten prüfen
const supportedShadingRates = vrsExtension.getSupportedShadingRates();

// Die niedrigste unterstützte Shading-Rate (außer 1x1) ermitteln
let lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_1X1_PIXELS; // Standardmäßig 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('Niedrigste unterstützte Shading-Rate: ' + lowestShadingRate);

// Die Shading-Rate für einen bestimmten Bereich festlegen (z.B. den gesamten Bildschirm)
// Dies würde typischerweise das Erstellen eines Shading-Rate-Images und das Binden an die entsprechende Textureinheit beinhalten.
// Das Folgende ist ein vereinfachtes Beispiel, das die Shading-Rate nur global setzt.

// Angenommen, Sie haben ein Programm und sind dabei zu zeichnen...

function drawScene(){
  // Den entsprechenden Framebuffer binden (falls erforderlich)

  // Die Erweiterungsfunktion aufrufen, um die Shading-Rate zu setzen (vereinfachtes Beispiel)
  // In einer echten Anwendung würde dies das Einrichten eines Shading-Rate-Images beinhalten.
  //vrsExtension.setShadingRate(lowestShadingRate);  //Dies ist eine hypothetische Funktion und wird nicht funktionieren, sie dient hier als Beispiel dafür, was sie tun würde.

  // Ihre Szene zeichnen
  //gl.drawArrays(...);
}

// Render-Schleife
function render() {
  // ... Ihre Szene aktualisieren ...
  drawScene();
  requestAnimationFrame(render);
}

requestAnimationFrame(render);


            

              
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Wichtige Überlegungen:

• Shading-Rate-Image: Das obige Beispiel ist eine vereinfachte Darstellung. In einem realen Szenario würden Sie typischerweise ein Shading-Rate-Image (eine Textur) erstellen und es an eine Textureinheit binden. Dieses Bild würde die Shading-Rate-Werte für jede Kachel auf dem Bildschirm enthalten. Sie würden dann die entsprechenden WebGL-Funktionen verwenden, um dieses Bild in Ihrem Fragment-Shader abzutasten und die entsprechende Shading-Rate anzuwenden. Die Details zur Erstellung und Verwendung eines Shading-Rate-Images gehen über den Rahmen dieses einführenden Blogbeitrags hinaus, werden aber in zukünftigen Artikeln behandelt.
• Leistungsmessung: Es ist entscheidend, die Leistungsauswirkungen von VRS in Ihrer Anwendung sorgfältig zu messen. Obwohl VRS die Leistung oft verbessern kann, kann es auch einen Overhead durch die Notwendigkeit, das Shading-Rate-Image zu verwalten und die notwendigen Berechnungen im Fragment-Shader durchzuführen, verursachen. Verwenden Sie WebGL-Leistungsanalysetools, um die optimalen Shading-Raten für Ihre Anwendung zu bestimmen.

Best Practices für die Verwendung von VRS in WebGL

Um das Beste aus VRS in Ihren WebGL-Anwendungen herauszuholen, sollten Sie die folgenden Best Practices berücksichtigen:

• Visuelle Qualität priorisieren: Bei der Auswahl der Shading-Raten sollten Sie die visuelle Qualität über die Leistung stellen. Beginnen Sie mit einer höheren Shading-Rate und reduzieren Sie diese allmählich, bis Sie einen signifikanten Abfall der visuellen Qualität bemerken.
• Content-Adaptive Shading verwenden (falls verfügbar): Wenn Ihre GPU Content-Adaptive Shading unterstützt, verwenden Sie es, um die Shading-Rate dynamisch an den Inhalt der Szene anzupassen. Dies kann noch größere Leistungssteigerungen ohne merkliche Auswirkungen auf die visuelle Qualität bieten.
• Die Kachelgröße berücksichtigen: Die Kachelgröße beeinflusst die Granularität der Steuerung der Shading-Rate. Kleinere Kachelgrößen ermöglichen eine präzisere Steuerung, erhöhen aber auch den Aufwand für die Verwaltung des Shading-Rate-Images. Experimentieren Sie mit verschiedenen Kachelgrößen, um das optimale Gleichgewicht zwischen Präzision und Leistung zu finden.
• VRS in Kombination mit anderen Optimierungstechniken verwenden: VRS ist nur ein Werkzeug in Ihrem Optimierungsarsenal. Verwenden Sie es in Verbindung mit anderen Techniken wie Level-of-Detail (LOD)-Skalierung, Occlusion Culling und Texturkomprimierung, um maximale Leistung zu erzielen.
• Auf einer Vielzahl von Geräten testen: Testen Sie Ihre Anwendung auf einer Vielzahl von Geräten, um sicherzustellen, dass VRS korrekt funktioniert und die erwarteten Leistungssteigerungen erzielt werden. Verschiedene GPUs können unterschiedliche VRS-Fähigkeiten haben, daher ist es wichtig, auf einer repräsentativen Auswahl an Hardware zu testen.

Fazit

Variable Rate Shading ist eine vielversprechende Technik zur Verbesserung der Rendering-Leistung in WebGL-Anwendungen. Durch sorgfältige Erkennung der VRS-Hardware-Unterstützung und Befolgung der in diesem Blogbeitrag beschriebenen Best Practices können Sie VRS nutzen, um effizientere und visuell ansprechendere WebGL-Erlebnisse zu schaffen. Mit der Weiterentwicklung von WebGL können wir erwarten, dass noch fortschrittlichere VRS-Funktionen und -Techniken verfügbar werden, die Entwicklern weitere Möglichkeiten geben, atemberaubende und performante webbasierte Grafiken zu erstellen.

Denken Sie daran, immer die visuelle Qualität zu priorisieren und die Leistungsauswirkungen von VRS in Ihrer Anwendung sorgfältig zu messen. Auf diese Weise können Sie sicherstellen, dass Sie VRS effektiv einsetzen, um die bestmöglichen Ergebnisse zu erzielen.