Soporte de hardware para el sombreado de velocidad variable (VRS) en WebGL: Detección de capacidades de la GPU

El Sombreado de Velocidad Variable (VRS) es una potente técnica de renderizado que permite a los desarrolladores controlar la tasa de sombreado en diferentes regiones de la pantalla. Al reducir la tasa de sombreado en áreas donde el detalle es menos importante, el VRS puede mejorar significativamente el rendimiento del renderizado sin una caída notable en la calidad visual. Esto es especialmente crucial para dispositivos con recursos limitados y aplicaciones exigentes como juegos, simulaciones y realidad virtual.

Sin embargo, el VRS es una característica dependiente del hardware. No todas las GPUs lo soportan, e incluso aquellas que lo hacen pueden tener capacidades variables. Por lo tanto, detectar con precisión el soporte de hardware para VRS es el primer paso crucial para aprovechar esta tecnología de manera efectiva en sus aplicaciones WebGL. Esta publicación de blog lo guiará a través del proceso de detección del soporte de VRS y la comprensión de los diferentes niveles de capacidades que podría encontrar.

¿Qué es el Sombreado de Velocidad Variable (VRS)?

Tradicionalmente, cada píxel en la pantalla es sombreado (es decir, se calcula su color) individualmente. Esta tasa de sombreado uniforme puede ser un desperdicio, ya que algunas áreas de la pantalla pueden no requerir tanta precisión. Por ejemplo, las regiones con bajo contraste o movimiento rápido a menudo pueden ser sombreadas a una tasa más baja sin un impacto significativo en la calidad visual percibida.

El VRS permite a los desarrolladores especificar diferentes tasas de sombreado para diferentes regiones de la pantalla. Esto se hace típicamente dividiendo la pantalla en mosaicos o bloques y asignando una tasa de sombreado a cada mosaico. Una tasa de sombreado más baja significa que la GPU sombreará menos píxeles dentro de ese mosaico, reduciendo efectivamente la carga de trabajo de renderizado.

Generalmente existen dos tipos principales de VRS:

• Sombreado de Píxeles Gruesos (CPS): Este tipo de VRS le permite especificar la tasa de sombreado por mosaico. El tamaño del mosaico es típicamente pequeño, como 8x8 o 16x16 píxeles. El CPS es una forma de VRS relativamente simple y eficiente.
• Sombreado Adaptativo al Contenido (CAS): Esta forma más avanzada de VRS ajusta dinámicamente la tasa de sombreado según el contenido de la escena. Por ejemplo, las áreas con alto detalle o movimiento pueden ser sombreadas a una tasa más alta, mientras que las áreas con bajo detalle o contenido estático pueden ser sombreadas a una tasa más baja. El CAS requiere un análisis más sofisticado de la escena, pero puede proporcionar ganancias de rendimiento aún mayores.

Beneficios de usar VRS en WebGL

Implementar VRS en sus aplicaciones WebGL ofrece varias ventajas clave:

• Rendimiento Mejorado: Al reducir la tasa de sombreado en áreas menos críticas, el VRS puede reducir significativamente la carga de trabajo de renderizado, lo que lleva a mayores tasas de fotogramas y un rendimiento más fluido, especialmente en dispositivos de gama baja.
• Mayor Duración de la Batería: Para dispositivos móviles y portátiles, reducir la carga de trabajo de renderizado puede traducirse en una mayor duración de la batería, permitiendo a los usuarios disfrutar de sus aplicaciones por períodos más largos.
• Calidad Visual Mejorada (en algunos casos): Aunque pueda parecer contraintuitivo, el VRS a veces puede mejorar la calidad visual al permitirle asignar más recursos de renderizado a áreas que son visualmente importantes. Por ejemplo, podría reducir la tasa de sombreado en el fondo y usar los recursos ahorrados para aumentar la tasa de sombreado en el primer plano, lo que resultaría en objetos de primer plano más nítidos y detallados.
• Escalabilidad: El VRS permite que su aplicación se escale mejor en diferentes configuraciones de hardware. En GPUs de gama alta, puede usar una tasa de sombreado más alta para lograr la máxima calidad visual, mientras que en GPUs de gama baja, puede usar una tasa de sombreado más baja para mantener un rendimiento aceptable.

Detección del soporte de hardware para VRS en WebGL

Antes de que pueda comenzar a usar VRS en su aplicación WebGL, necesita determinar si la GPU del usuario lo soporta. Esto implica verificar la presencia de las extensiones WebGL necesarias.

1. Comprobando la extensión `ANGLE_variable_rate_shading`

La extensión principal que habilita VRS en WebGL es `ANGLE_variable_rate_shading`. Puede verificar su existencia usando el método `getExtension()` del contexto de WebGL:

            const gl = canvas.getContext('webgl2');
if (!gl) {
  console.error('WebGL 2 no es compatible.');
  return;
}

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

if (vrsExtension) {
  console.log('¡El Sombreado de Velocidad Variable es compatible!');
} else {
  console.log('El Sombreado de Velocidad Variable no es compatible.');
}

            

              
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Nota Importante: La extensión `ANGLE_variable_rate_shading` es una extensión proporcionada por el proyecto ANGLE (Almost Native Graphics Layer Engine). ANGLE es utilizado por muchos navegadores para traducir las llamadas de WebGL a las API de gráficos nativas de diferentes plataformas (por ejemplo, Direct3D en Windows, Metal en macOS e iOS, Vulkan en Android). Por lo tanto, la presencia de esta extensión indica que el controlador de gráficos y el hardware subyacentes soportan VRS, incluso si la implementación nativa de WebGL no expone directamente la funcionalidad de VRS.

2. Examinando las capacidades de VRS

Una vez que haya confirmado que la extensión `ANGLE_variable_rate_shading` está disponible, necesita examinar las capacidades específicas de la implementación de VRS. La extensión proporciona varias constantes y métodos que le permiten consultar estas capacidades.

a. Tasas de sombreado compatibles

La extensión define un conjunto de constantes que representan las tasas de sombreado compatibles. Estas constantes son potencias de dos e indican el número de píxeles que se sombrean por fragmento.

• `gl.SHADING_RATE_1X1_PIXELS`: Sombrear cada píxel (1x1).
• `gl.SHADING_RATE_1X2_PIXELS`: Sombrear cada segundo píxel horizontalmente (1x2).
• `gl.SHADING_RATE_2X1_PIXELS`: Sombrear cada segundo píxel verticalmente (2x1).
• `gl.SHADING_RATE_2X2_PIXELS`: Sombrear cada segundo píxel en ambas dimensiones (2x2).
• `gl.SHADING_RATE_4X2_PIXELS`: Sombrear cada cuarto píxel horizontalmente y cada segundo píxel verticalmente (4x2).
• `gl.SHADING_RATE_2X4_PIXELS`: Sombrear cada segundo píxel horizontalmente y cada cuarto píxel verticalmente (2x4).
• `gl.SHADING_RATE_4X4_PIXELS`: Sombrear cada cuarto píxel en ambas dimensiones (4x4).

Para determinar qué tasas de sombreado son realmente compatibles con la GPU, puede usar el método `getSupportedShadingRates()` de la extensión. Este método devuelve un array de booleanos, donde cada elemento indica si la tasa de sombreado correspondiente es compatible. El orden de los elementos corresponde al orden de las constantes enumeradas anteriormente.

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

  console.log('Tasas de sombreado compatibles:');
  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]);
}

            

              
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Al examinar el array `supportedShadingRates`, puede determinar qué tasas de sombreado puede usar de forma segura en su aplicación.

b. Conteo de combinadores de tasa de sombreado

La propiedad `shadingRateCombinerCount` de la extensión indica el número de combinadores de tasa de sombreado que son compatibles con la GPU. Los combinadores de tasa de sombreado le permiten combinar múltiples fuentes de información de tasa de sombreado para producir una tasa de sombreado final. Cuantos más combinadores estén disponibles, más flexible podrá ser en el control de la tasa de sombreado.

            if (vrsExtension) {
  const shadingRateCombinerCount = vrsExtension.shadingRateCombinerCount;
  console.log('Conteo de combinadores de tasa de sombreado: ' + shadingRateCombinerCount);
}

            

              
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Los valores típicos para `shadingRateCombinerCount` son 1 o 2. Un valor de 0 indica que los combinadores de tasa de sombreado no son compatibles.

c. Soporte de imagen de tasa de sombreado

La `shadingRateImage` es una textura que le permite especificar la tasa de sombreado por mosaico. La extensión proporciona una constante, `gl.SHADING_RATE_IMAGE_OES`, que representa el destino de la textura para la imagen de tasa de sombreado. Para verificar si la `shadingRateImage` es compatible, consulte el límite `MAX_FRAGMENT_UNIFORM_VECTORS`. Si el número de vectores uniformes de fragmento disponibles es suficiente, el controlador probablemente soporta la característica `shadingRateImage`. Si el número máximo es muy bajo, la característica probablemente no es compatible.

Aunque `shadingRateImage` es la forma estándar de realizar el sombreado de píxeles gruesos, las implementaciones de hardware de VRS pueden optar por omitirla, y eso debe detectarse en tiempo de ejecución.

3. Manejo de VRS no compatible

Si la extensión `ANGLE_variable_rate_shading` no está disponible, o si las tasas de sombreado compatibles son limitadas, debe recurrir a una ruta de renderizado estándar de forma controlada. Esto podría implicar usar una tasa de sombreado más alta o deshabilitar el VRS por completo. Es crucial evitar depender del VRS si no es compatible adecuadamente, ya que esto puede llevar a errores de renderizado o problemas de rendimiento.

Ejemplo: Detección y uso de VRS en una aplicación WebGL

Aquí hay un ejemplo más completo que demuestra cómo detectar el soporte de VRS y usarlo para ajustar la tasa de sombreado en una aplicación WebGL simple:

            
// Obtener el contexto de WebGL2
const canvas = document.getElementById('glCanvas');
const gl = canvas.getContext('webgl2');

if (!gl) {
  console.error('WebGL 2 no es compatible.');
  // Recurrir a una ruta de renderizado sin VRS
  return;
}

// Obtener la extensión ANGLE_variable_rate_shading
const vrsExtension = gl.getExtension('ANGLE_variable_rate_shading');

if (!vrsExtension) {
  console.log('El Sombreado de Velocidad Variable no es compatible.');
  // Recurrir a una ruta de renderizado sin VRS
  return;
}

// Comprobar las tasas de sombreado compatibles
const supportedShadingRates = vrsExtension.getSupportedShadingRates();

// Determinar la tasa de sombreado más baja compatible (distinta de 1x1)
let lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_1X1_PIXELS; // Por defecto, 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('Tasa de sombreado más baja compatible: ' + lowestShadingRate);

// Establecer la tasa de sombreado para una región específica (por ejemplo, toda la pantalla)
// Esto normalmente implicaría crear una imagen de tasa de sombreado y vincularla a la unidad de textura apropiada.
// El siguiente es un ejemplo simplificado que solo establece la tasa de sombreado globalmente.

// Suponiendo que tienes un programa y estás a punto de dibujar...

function drawScene(){
  // Vincular el framebuffer apropiado (si es necesario)

  // Llamar a la función de la extensión para establecer la tasa de sombreado (ejemplo simplificado)
  // En una aplicación real, esto implicaría configurar una imagen de tasa de sombreado.
  //vrsExtension.setShadingRate(lowestShadingRate);  //Esta es una función hipotética y no funcionará, está aquí como ejemplo de lo que haría.

  // Dibuja tu escena
  //gl.drawArrays(...);
}

// Bucle de renderizado
function render() {
  // ... actualiza tu escena ...
  drawScene();
  requestAnimationFrame(render);
}

requestAnimationFrame(render);


            

              
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Consideraciones importantes:

• Imagen de Tasa de Sombreado: El ejemplo anterior proporciona una ilustración simplificada. En un escenario del mundo real, normalmente crearía una imagen de tasa de sombreado (una textura) y la vincularía a una unidad de textura. Esta imagen contendría los valores de la tasa de sombreado para cada mosaico en la pantalla. Luego usaría las funciones de WebGL apropiadas para muestrear esta imagen en su sombreador de fragmentos y aplicar la tasa de sombreado correspondiente. Los detalles de la creación y uso de una imagen de tasa de sombreado están más allá del alcance de esta publicación de blog introductoria, pero se cubrirán en futuros artículos.
• Medición del Rendimiento: Es crucial medir cuidadosamente el impacto del rendimiento del VRS en su aplicación. Aunque el VRS a menudo puede mejorar el rendimiento, también puede introducir una sobrecarga debido a la necesidad de gestionar la imagen de tasa de sombreado y realizar los cálculos necesarios en el sombreador de fragmentos. Use herramientas de análisis de rendimiento de WebGL para determinar las tasas de sombreado óptimas para su aplicación.

Mejores prácticas para usar VRS en WebGL

Para aprovechar al máximo el VRS en sus aplicaciones WebGL, considere las siguientes mejores prácticas:

• Prioriza la Calidad Visual: Al elegir las tasas de sombreado, priorice la calidad visual sobre el rendimiento. Comience con una tasa de sombreado más alta y redúzcala gradualmente hasta que note una caída significativa en la calidad visual.
• Usa el Sombreado Adaptativo al Contenido (si está disponible): Si su GPU soporta el sombreado adaptativo al contenido, úselo para ajustar dinámicamente la tasa de sombreado según el contenido de la escena. Esto puede proporcionar ganancias de rendimiento aún mayores sin un impacto notable en la calidad visual.
• Considera el Tamaño del Mosaico: El tamaño del mosaico afecta la granularidad del control de la tasa de sombreado. Tamaños de mosaico más pequeños permiten un control más preciso, pero también aumentan la sobrecarga de gestionar la imagen de tasa de sombreado. Experimente con diferentes tamaños de mosaico para encontrar el equilibrio óptimo entre precisión y rendimiento.
• Usa VRS en combinación con otras técnicas de optimización: El VRS es solo una herramienta en su arsenal de optimización. Úselo junto con otras técnicas, como el escalado de nivel de detalle (LOD), la selección por oclusión (occlusion culling) y la compresión de texturas, para lograr el máximo rendimiento.
• Prueba en una variedad de dispositivos: Pruebe su aplicación en una variedad de dispositivos para asegurarse de que el VRS funcione correctamente y que esté proporcionando las ganancias de rendimiento esperadas. Diferentes GPUs pueden tener diferentes capacidades de VRS, por lo que es importante probar en una muestra representativa de hardware.

Conclusión

El Sombreado de Velocidad Variable es una técnica prometedora para mejorar el rendimiento del renderizado en aplicaciones WebGL. Al detectar cuidadosamente el soporte de hardware para VRS y seguir las mejores prácticas descritas en esta publicación de blog, puede aprovechar el VRS para crear experiencias WebGL más eficientes y visualmente atractivas. A medida que WebGL continúa evolucionando, podemos esperar ver aún más características y técnicas avanzadas de VRS disponibles, empoderando aún más a los desarrolladores para crear gráficos basados en la web impresionantes y de alto rendimiento.

Recuerde siempre priorizar la calidad visual y medir cuidadosamente el impacto del rendimiento del VRS en su aplicación. Al hacerlo, puede asegurarse de que está utilizando el VRS de manera efectiva para lograr los mejores resultados posibles.