GPU võimsuse rakendamine veebis: Põhjalik ülevaade WebGL-i tekstuuridele juurdepääsust

Tänapäevane veeb on visuaalselt rikas maastik, kus interaktiivsed 3D-mudelid, hingematvad andmete visualiseerimised ja kaasahaaravad mängud jooksevad sujuvalt meie veebilehitsejates. Selle revolutsiooni keskmes on WebGL, võimas JavaScripti API, mis pakub otseühendust ja madala taseme liidest graafikaprotsessoriga (GPU). Kuigi WebGL avab uute võimaluste maailma, nõuab selle valdamine sügavat arusaamist sellest, kuidas CPU ja GPU suhtlevad ning ressursse jagavad. Üks kõige fundamentaalsemaid ja kriitilisemaid neist ressurssidest on tekstuur.

Arendajatele, kes on tuttavad natiivsete graafika API-dega nagu DirectX, Vulkan või Metal, on termin "Shader Resource View" (SRV) tuttav mõiste. SRV on sisuliselt abstraktsioon, mis defineerib, kuidas shader saab ressursist, näiteks tekstuurist, lugeda. Kuigi WebGL-il ei ole otseselt API-objekti nimega "Shader Resource View", on selle aluseks olev kontseptsioon selle toimimises absoluutselt kesksel kohal. See artikkel demüstifitseerib, kuidas WebGL-i tekstuure luuakse, hallatakse ja kuidas shader'id neile lõpuks juurde pääsevad, pakkudes teile mõttemudelit, mis on kooskõlas selle kaasaegse graafikaparadigmaga.

Alustame teekonda põhitõdedest, mida tekstuur tegelikult endast kujutab, liigume läbi vajaliku JavaScripti ja GLSL-i (OpenGL Shading Language) koodi ning jõuame täiustatud tehnikateni, mis tõstavad teie reaalajas graafikarakendused uuele tasemele. See on teie põhjalik juhend WebGL-i ekvivalendile shader'i ressursivaatele tekstuuride jaoks.

Graafikakonveier: Kus tekstuurid ellu ärkavad

Enne kui saame tekstuure manipuleerida, peame mõistma nende rolli. GPU peamine ülesanne graafikas on täita rida samme, mida tuntakse renderduskonveierina. Lihtsustatult öeldes võtab see konveier tipuandmed (3D-mudeli punktid) ja muundab need lõplikeks värvilisteks piksliteks, mida ekraanil näete.

Kaks peamist programmeeritavat etappi WebGL-i konveieris on:

• Vertex Shader (Tipuvarjendaja): See programm käivitub kord iga teie geomeetria tipu kohta. Selle põhitöö on arvutada iga tipu lõplik asukoht ekraanil. Samuti võib see edastada andmeid, näiteks tekstuuri koordinaate, konveieris edasi.
• Fragment Shader (või Pixel Shader, Fragmendivarjendaja): Pärast seda, kui GPU on kindlaks teinud, millised ekraani pikslid on kolmnurgaga kaetud (protsess, mida nimetatakse rasteriseerimiseks), käivitub fragmendivarjendaja kord iga sellise piksli (või fragmendi) kohta. Selle peamine ülesanne on arvutada selle piksli lõplik värv.

See on koht, kus tekstuurid teevad oma suurejoonelise sisseastumise. Fragmendivarjendaja on kõige levinum koht, kus tekstuuri kasutatakse ehk "sämplitakse", et määrata piksli värv, läige, karedus või mõni muu pinna omadus. Tekstuur toimib massiivse andmete otsingutabelina fragmendivarjendaja jaoks, mis töötab GPU-l paralleelselt välkkiirelt.

Mis on tekstuur? Rohkem kui lihtsalt pilt

Igapäevases keeles on "tekstuur" objekti pinnatunnetus. Arvutigraafikas on see termin spetsiifilisem: tekstuur on struktureeritud andmemassiiv, mis on salvestatud GPU mällu ja millele shader'id saavad tõhusalt juurde pääseda. Kuigi need andmed on enamasti pildiandmed (pikslite värvid, mida tuntakse ka tekselitena), on suur viga piirata oma mõtlemist ainult sellega.

Tekstuur võib salvestada peaaegu igasuguseid numbrilisi andmeid, mida ette kujutada suudate:

• Albedo/hajusvärvi kaardid (Albedo/Diffuse Maps): Kõige levinum kasutusjuht, mis määratleb pinna põhivärvi.
• Normaalkaardid (Normal Maps): Salvestavad vektoriandmeid, mis imiteerivad keerulisi pinnadetaile ja valgustust, muutes madala polügoonide arvuga mudeli uskumatult detailseks.
• Kõrguskaardid (Height Maps): Salvestavad ühekanalilisi halltoonides andmeid, et luua nihke- või parallaksiefekte.
• PBR-kaardid: Füüsikaliselt põhjendatud renderdamisel (Physically Based Rendering) salvestavad eraldi tekstuurid sageli metallilisuse, kareduse ja ümbritseva varjutuse väärtusi.
• Otsingutabelid (LUTs): Kasutatakse värvide korrigeerimiseks ja järeltöötlusefektideks.
• Suvalised andmed GPGPU jaoks: Üldotstarbelises GPU-programmeerimises (General-Purpose GPU programming) saab tekstuure kasutada 2D-massiividena asukohtade, kiiruste või simulatsiooniandmete salvestamiseks füüsika või teadusarvutuste jaoks.

Selle mitmekülgsuse mõistmine on esimene samm GPU tegeliku võimsuse avamiseks.

Sild: Tekstuuride loomine ja konfigureerimine WebGL API abil

CPU (kus töötab teie JavaScript) ja GPU on eraldiseisvad üksused oma mäluga. Tekstuuri kasutamiseks peate orkestreerima rea samme WebGL API abil, et luua GPU-l ressurss ja laadida sinna oma andmed. WebGL on olekumasin, mis tähendab, et kõigepealt määrate aktiivse oleku ja seejärel toimivad järgnevad käsud sellele olekule.

1. samm: Looge tekstuuri viit (handle)

Kõigepealt peate paluma WebGL-il luua tühja tekstuuri objekti. See ei eralda veel GPU-s mälu; see tagastab lihtsalt viida või identifikaatori, mida kasutate selle tekstuuri viitamiseks tulevikus.

            // Get the WebGL rendering context from a canvas
const canvas = document.getElementById('myCanvas');
const gl = canvas.getContext('webgl2');

// Create a texture object
const myTexture = gl.createTexture();
            

              
                Copy
              
            
          

2. samm: Siduge tekstuur (Bind)

Äsja loodud tekstuuriga töötamiseks peate selle siduma WebGL-i olekumasinas kindla sihtmärgiga. Standardse 2D-pildi jaoks on sihtmärk `gl.TEXTURE_2D`. Sidumine muudab teie tekstuuri "aktiivseks" kõigi järgnevate tekstuuritoimingute jaoks sellel sihtmärgil.

            // Bind the texture to the TEXTURE_2D target
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, myTexture);
            

              
                Copy
              
            
          

3. samm: Laadige üles tekstuuri andmed

See on koht, kus teisaldate oma andmed CPU-st (nt `HTMLImageElement`, `ArrayBuffer` või `HTMLVideoElement` objektist) seotud tekstuuri GPU mällu. Peamine funktsioon selleks on `gl.texImage2D`.

Vaatame levinud näidet pildi laadimisest `` sildist:

            const image = new Image();
image.src = 'path/to/my-image.jpg';
image.onload = () => {
    // Once the image is loaded, we can upload it to the GPU

    // Bind the texture again just in case another texture was bound elsewhere
    gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, myTexture);

    const level = 0; // Mipmap'i tase
    const internalFormat = gl.RGBA; // Formaat GPU-s salvestamiseks
    const srcFormat = gl.RGBA; // Lähteandmete formaat
    const srcType = gl.UNSIGNED_BYTE; // Lähteandmete andmetüüp

    gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, level, internalFormat, 
                  srcFormat, srcType, image);

    // ... jätkake tekstuuri konfigureerimisega
};

            

              
                Copy
              
            
          

`texImage2D` parameetrid annavad teile peene kontrolli selle üle, kuidas andmeid tõlgendatakse ja salvestatakse, mis on oluline täiustatud andmetekstuuride puhul.

4. samm: Konfigureerige sampleri olek

Andmete üleslaadimisest ei piisa. Peame GPU-le ka ütlema, kuidas nendest lugeda ehk "sämplida". Mis peaks juhtuma, kui shader küsib punkti kahe tekseli vahel? Mis siis, kui see küsib koordinaati väljaspool standardset `[0.0, 1.0]` vahemikku? See konfiguratsioon on sampleri olemus.

WebGL 1 ja 2 puhul on sampleri olek osa tekstuuri objektist endast. Seda konfigureeritakse kasutades `gl.texParameteri`.

Filtreerimine: Suurendamise ja vähendamise käsitlemine

Kui tekstuuri renderdatakse suuremana kui selle algne resolutsioon (suurendamine) või väiksemana (vähendamine), vajab GPU reeglit, millist värvi tagastada.

• gl.TEXTURE_MAG_FILTER: Suurendamiseks.
• gl.TEXTURE_MIN_FILTER: Vähendamiseks.

Kaks peamist režiimi on:

• gl.NEAREST: Tuntud ka kui punkt-sämplimine. See haarab lihtsalt küsitud koordinaadile lähima tekseli. Tulemuseks on kandiline, piksliline välimus, mis võib olla soovitav retrostiilis kunsti jaoks, kuid sageli pole see realistliku renderdamise puhul eesmärk.
• gl.LINEAR: Tuntud ka kui bilineaarne filtreerimine. See võtab neli küsitud koordinaadile lähimat tekselit ja tagastab kaalutud keskmise, mis põhineb koordinaadi lähedusel igale tekselile. See annab sujuvama, kuid veidi uduma tulemuse.

            // For sharp, pixelated look when zoomed in
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MAG_FILTER, gl.NEAREST);

// For a smooth, blended look
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MAG_FILTER, gl.LINEAR);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);

            

              
                Copy
              
            
          

Mähkimine (Wrapping): Piiridest väljas olevate koordinaatide käsitlemine

`TEXTURE_WRAP_S` (horisontaalne ehk U) ja `TEXTURE_WRAP_T` (vertikaalne ehk V) parameetrid määravad käitumise koordinaatidele väljaspool `[0.0, 1.0]` vahemikku.

• gl.REPEAT: Tekstuur kordub või paanitakse.
• gl.CLAMP_TO_EDGE: Koordinaat kärbitakse ja serva tekselit korratakse.
• gl.MIRRORED_REPEAT: Tekstuur kordub, kuid iga teine kordus on peegelpildis.

            // Tile the texture horizontally and vertically
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_S, gl.REPEAT);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_T, gl.REPEAT);

            

              
                Copy
              
            
          

Mipmapping: Kvaliteedi ja jõudluse võti

Kui tekstuuriga objekt on kaugel, võib üks piksel ekraanil katta suure ala tekstuurist. Kui kasutame standardset filtreerimist, peab GPU valima sadade seast ühe või neli tekselit, mis põhjustab virvendavaid artefakte ja alias-efekti. Lisaks on kõrge resolutsiooniga tekstuuriandmete toomine kauge objekti jaoks mäluribalaiuse raiskamine.

Lahendus on mipmapping. Mipmap on eelnevalt arvutatud jada originaaltekstuuri vähendatud resolutsiooniga versioonidest. Renderdamisel saab GPU valida objekti kauguse põhjal kõige sobivama mip-taseme, parandades oluliselt nii visuaalset kvaliteeti kui ka jõudlust.

Saate need mip-tasemed hõlpsalt genereerida ühe käsuga pärast põitekstuuri üleslaadimist:

            gl.generateMipmap(gl.TEXTURE_2D);
            

              
                Copy
              
            
          

Mipmap'ide kasutamiseks peate seadistama vähendusfiltri ühele mipmap'i toetavale režiimile:

• gl.LINEAR_MIPMAP_NEAREST: Valib lähima mip-taseme ja rakendab seejärel sellel tasemel lineaarset filtreerimist.
• gl.LINEAR_MIPMAP_LINEAR: Valib kaks lähimat mip-taset, teostab mõlemas lineaarse filtreerimise ja seejärel interpoleerib lineaarselt tulemuste vahel. Seda nimetatakse trilineaarseks filtreerimiseks ja see tagab kõrgeima kvaliteedi.

            // Enable high-quality trilinear filtering
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR_MIPMAP_LINEAR);

            

              
                Copy
              
            
          

Tekstuuridele juurdepääs GLSL-is: Shader'i vaade

Kui meie tekstuur on konfigureeritud ja asub GPU mälus, peame andma oma shader'ile viisi sellele juurdepääsemiseks. Siin tulebki mängu kontseptuaalne "Shader Resource View".

Uniform Sampler

Oma GLSL-i fragmendivarjendajas deklareerite spetsiaalse `uniform` tüüpi muutuja, mis esindab tekstuuri:

            #version 300 es
precision mediump float;

// Uniform sampler representing our texture resource view
uniform sampler2D u_myTexture;

// Input texture coordinates from the vertex shader
in vec2 v_texCoord;

// Output color for this fragment
out vec4 outColor;

void main() {
    // Sample the texture at the given coordinates
    outColor = texture(u_myTexture, v_texCoord);
}
            

              
                Copy
              
            
          

On ülioluline mõista, mis `sampler2D` on. See ei ole tekstuur ise. See on läbipaistmatu viit, mis esindab kahe asja kombinatsiooni: viidet tekstuuri andmetele ja selle jaoks konfigureeritud sampleri olekut (filtreerimine, mähkimine).

JavaScripti ühendamine GLSL-iga: Tekstuuriüksused (Texture Units)

Niisiis, kuidas me ühendame `myTexture` objekti meie JavaScriptis `u_myTexture` uniform'iga meie shader'is? See toimub vahendaja kaudu, mida nimetatakse tekstuuriüksuseks.

GPU-l on piiratud arv tekstuuriüksuseid (piirangu saate küsida käsuga `gl.getParameter(gl.MAX_TEXTURE_IMAGE_UNITS)`), mis on nagu pesad, kuhu tekstuuri saab paigutada. Protsess kõige ühendamiseks enne renderduskäsku on kolmeastmeline tants:

1. Aktiveerige tekstuuriüksus: Valite, millise üksusega soovite töötada. Need on nummerdatud alates 0-st.
2. Siduge oma tekstuur: Sidute oma tekstuuri objekti hetkel aktiivse üksusega.
3. Andke shader'ile teada: Uuendate `sampler2D` uniform'i väärtuseks valitud tekstuuriüksuse täisarvulise indeksi.

Siin on täielik JavaScripti kood renderdustsükli jaoks:

            // Leia uniform'i asukoht shader'i programmis
const textureUniformLocation = gl.getUniformLocation(myShaderProgram, "u_myTexture");

// --- Teie renderdustsüklis ---
function draw() {
    const textureUnitIndex = 0; // Kasutame tekstuuriüksust 0

    // 1. Aktiveeri tekstuuriüksus
    gl.activeTexture(gl.TEXTURE0 + textureUnitIndex);

    // 2. Seo tekstuur selle üksusega
    gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, myTexture);

    // 3. Ütle shader'i sampler'ile, et ta kasutaks seda tekstuuriüksust
    gl.uniform1i(textureUniformLocation, textureUnitIndex);

    // Nüüd saame oma geomeetria joonistada
    gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, numVertices);
}
            

              
                Copy
              
            
          

See jada loob korrektselt seose: shader'i `u_myTexture` uniform viitab nüüd tekstuuriüksusele 0, mis hetkel hoiab `myTexture` objekti koos kõigi selle konfigureeritud andmete ja sampleri seadetega. `texture()` funktsioon GLSL-is teab nüüd täpselt, millisest ressursist lugeda.

Täiustatud tekstuuridele juurdepääsu mustrid

Nüüd, kui põhitõed on kaetud, saame uurida võimsamaid tehnikaid, mis on kaasaegses graafikas levinud.

Mitmiktekstuurimine (Multi-Texturing)

Sageli vajab üks pind mitut tekstuurikaarti. PBR-i jaoks võib vaja minna värvikaarti, normaalkaarti ja kareduse/metallilisuse kaarti. See saavutatakse mitme tekstuuriüksuse samaaegse kasutamisega.

GLSL-i fragmendivarjendaja:

            uniform sampler2D u_albedoMap;
uniform sampler2D u_normalMap;
uniform sampler2D u_roughnessMap;

in vec2 v_texCoord;

void main() {
    vec3 albedo = texture(u_albedoMap, v_texCoord).rgb;
    vec3 normal = texture(u_normalMap, v_texCoord).rgb;
    float roughness = texture(u_roughnessMap, v_texCoord).r;

    // ... perform complex lighting calculations using these values ...
}
            

              
                Copy
              
            
          

JavaScripti seadistus:

            // Bind albedo map to texture unit 0
gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, albedoTexture);
gl.uniform1i(albedoLocation, 0);

// Bind normal map to texture unit 1
gl.activeTexture(gl.TEXTURE1);
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, normalTexture);
gl.uniform1i(normalLocation, 1);

// Bind roughness map to texture unit 2
gl.activeTexture(gl.TEXTURE2);
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, roughnessTexture);
gl.uniform1i(roughnessLocation, 2);

// ... then draw ...
            

              
                Copy
              
            
          

Tekstuurid andmetena (GPGPU)

Tekstuuride kasutamiseks üldotstarbelisteks arvutusteks vajate sageli suuremat täpsust kui standardne 8 bitti kanali kohta (`UNSIGNED_BYTE`). WebGL 2 pakub suurepärast tuge ujukomaarvudega tekstuuridele.

Tekstuuri loomisel määraksite teistsuguse sisemise formaadi ja tüübi:

            // For a 32-bit floating point texture with 4 channels (RGBA)
gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGBA32F, width, height, 0, 
             gl.RGBA, gl.FLOAT, myFloat32ArrayData);
            

              
                Copy
              
            
          

Oluline tehnika GPGPU-s on arvutuse väljundi renderdamine teise tekstuuri sisse, kasutades Framebuffer Object'i (FBO). See võimaldab teil luua keerulisi, mitmeastmelisi simulatsioone (nagu vedeliku dünaamika või osakeste süsteemid) täielikult GPU-l, muster, mida sageli nimetatakse kahe tekstuuri vahel "ping-pongimiseks".

Kuupkaardid (Cube Maps) keskkonna kaardistamiseks

Realistlike peegelduste või taevakastide (skybox) loomiseks kasutame kuupkaarti, mis koosneb kuuest 2D-tekstuurist, mis on paigutatud kuubi külgedele. API on veidi erinev.

• Sidumise sihtmärk: `gl.TEXTURE_CUBE_MAP`
• GLSL Sampleri tüüp: `samplerCube`
• Otsinguvektor: 2D-koordinaatide asemel sämplite seda 3D-suunavektoriga.

GLSL-i näide peegelduse jaoks:

            uniform samplerCube u_skybox;
in vec3 v_reflectionVector;

void main() {
    // Sample the cube map using a direction vector
    vec4 reflectionColor = texture(u_skybox, v_reflectionVector);
    // ...
}
            

              
                Copy
              
            
          

Jõudlusega seotud kaalutlused ja parimad praktikad

• Minimeerige olekumuutusi: Kutsed nagu `gl.bindTexture()` on suhteliselt kulukad. Optimaalse jõudluse saavutamiseks grupeerige oma renderduskutsed materjali järgi. Renderdage kõik objektid, mis kasutavad sama tekstuuride komplekti, enne uuele komplektile üleminekut.
• Kasutage tihendatud formaate: Toored tekstuuriandmed tarbivad märkimisväärselt VRAM-i ja mäluribalaiust. Kasutage laiendusi tihendatud formaatide jaoks nagu S3TC, ETC või ASTC. Need formaadid võimaldavad GPU-l hoida tekstuuriandmeid mälus tihendatuna, pakkudes tohutut jõudluse kasvu, eriti piiratud mäluga seadmetes.
• Kahe astme mõõtmed (Power-of-Two, POT): Kuigi WebGL 2 toetab hästi mitte-kahe-astme (NPOT) tekstuure, on siiski erijuhtumeid, eriti WebGL 1-s, kus POT-tekstuurid (nt 256x256, 512x512) on vajalikud mipmappingu ja teatud mähkimisrežiimide toimimiseks. POT-mõõtmete kasutamine on endiselt turvaline parim praktika.
• Kasutage Sampler-objekte (WebGL 2): WebGL 2 tõi sisse Sampler-objektid. Need võimaldavad teil lahti siduda sampleri oleku (filtreerimine, mähkimine) tekstuuri objektist. Saate luua mõned levinud sampleri konfiguratsioonid (nt "korduv_lineaarne", "kärbitud_lähim") ja siduda neid vastavalt vajadusele, selle asemel et iga tekstuuri uuesti konfigureerida. See on tõhusam ja paremini kooskõlas kaasaegsete graafika API-dega.

Tulevik: Pilguheit WebGPU-sse

WebGL-i järeltulija WebGPU muudab meie käsitletud kontseptsioonid veelgi selgesõnalisemaks ja struktureeritumaks. WebGPU-s on diskreetsed rollid selgelt määratletud eraldi API-objektidega:

• GPUTexture: Esindab tooreid tekstuuriandmeid GPU-s.
• GPUSampler: Objekt, mis defineerib ainult sampleri oleku (filtreerimine, mähkimine jne).
• GPUTextureView: See on sõna otseses mõttes "Shader Resource View". See määratleb, kuidas shader tekstuuriandmeid näeb (nt 2D-tekstuurina, tekstuurimassiivi ühe kihina, konkreetse mip-tasemena jne).

See selgesõnaline eraldamine vähendab API keerukust ja ennetab terveid klassitäisi vigu, mis on tavalised WebGL-i olekumasina mudelis. Kontseptuaalsete rollide mõistmine WebGL-is – tekstuuriandmed, sampleri olek ja shader'i juurdepääs – on ideaalne ettevalmistus üleminekuks WebGPU võimsamale ja robustsemale arhitektuurile.

Kokkuvõte

Tekstuurid on palju enamat kui staatilised pildid; need on peamine mehhanism suuremahuliste, struktureeritud andmete edastamiseks GPU massiivselt paralleelsetele protsessoritele. Nende kasutamise valdamine hõlmab kogu konveieri selget mõistmist: CPU-poolset orkestreerimist WebGL JavaScript API abil ressursside loomiseks, sidumiseks, üleslaadimiseks ja konfigureerimiseks ning GPU-poolset juurdepääsu GLSL-shader'ites sampler'ite ja tekstuuriüksuste kaudu.

Selle voo – WebGL-i ekvivalendi "Shader Resource View'le" – omandamisega liigute kaugemale lihtsalt piltide kolmnurkadele panemisest. Saate võime rakendada täiustatud renderdustehnikaid, teostada kiireid arvutusi ja tõeliselt rakendada GPU uskumatut võimsust otse igast kaasaegsest veebilehitsejast. Lõuend on teie käskida.