WebGL Transform Feedback: tipuvarjutaja väljundi püüdmine keerukate efektide jaoks

WebGL Transform Feedback on võimas funktsioon, mis võimaldab teil püüda tipuvarjutaja väljundi ja kasutada seda sisendina järgnevates renderdamise läbimistes või arvutustes. See avab terve maailma võimalusi keerukate visuaalefektide, osakeste süsteemide ja protseduurilise geomeetria loomiseks täielikult GPU-s. See artikkel annab põhjaliku ülevaate WebGL Transform Feedbackist, käsitledes selle kontseptsioone, rakendamist ja praktilisi kasutusalasid.

Transform Feedback'i mõistmine

Traditsiooniliselt liigub tipuvarjutaja väljund läbi renderdamistoru, andes lõpuks oma panuse ekraanil oleva piksli lõplikku värvi. Transform Feedback pakub mehhanismi selle väljundi pealtkuulamiseks *enne* selle jõudmist fragmendivarjutajasse ja selle tagasi puhverobjektidesse salvestamiseks. See võimaldab teil muuta tipuatribuute tipuvarjutajas tehtud arvutuste põhjal, luues tõhusalt tagasisideahela täielikult GPU sees.

Mõelge sellest kui viisist 'salvestada' tippe pärast seda, kui tipuvarjutaja on need teisendanud. Seda salvestatud andmeid saab seejärel kasutada järgmise renderdamiskäigu allikana. See võime püüda ja taaskasutada tipuandmeid muudab Transform Feedback'i oluliseks mitmesuguste täiustatud renderdamistehnikate jaoks.

Põhimõisted

• Tipuvarjutaja väljund: Püütakse kinni tipuvarjutaja poolt väljastatud andmed. Need andmed sisaldavad tavaliselt tippude asukohti, normaale, tekstuurikoordinaate ja kohandatud atribuute.
• Puhverobjektid: Püütud väljund salvestatakse puhverobjektidesse, mis on GPU-s eraldatud mälupiirkonnad.
• Transform Feedback objekt: Spetsiaalne WebGL-i objekt, mis haldab tipuvarjutaja väljundi püüdmise ja puhverobjektidesse kirjutamise protsessi.
• Tagasisideahel: Püütud andmeid saab kasutada sisendina järgnevate renderdamiskäikude jaoks, luues tagasisideahela, mis võimaldab teil geomeetriat iteratiivselt täpsustada ja värskendada.

Transform Feedback'i seadistamine

Transform Feedback'i rakendamine hõlmab mitut sammu:

1. Transform Feedback objekti loomine

Esimene samm on luua transform feedback objekt, kasutades meetodit gl.createTransformFeedback():

            const transformFeedback = gl.createTransformFeedback();

            

              
                Copy
              
            
          

2. Transform Feedback objekti sidumine

Järgmisena siduge transform feedback objekt sihtmärgiga gl.TRANSFORM_FEEDBACK:

            gl.bindTransformFeedback(gl.TRANSFORM_FEEDBACK, transformFeedback);

            

              
                Copy
              
            
          

3. Varying-muutujate määramine

Peate WebGL-ile ütlema, milliseid tipuvarjutaja väljundeid soovite püüda. See tehakse, määrates *varying*-muutujad – tipuvarjutaja väljundmuutujad –, mida püütakse, kasutades gl.transformFeedbackVaryings(). See tuleb teha *enne* varjutajaprogrammi linkimist.

            const varyings = ['vPosition', 'vVelocity', 'vLife']; // Näidis varying-muutujate nimed
gl.transformFeedbackVaryings(program, varyings, gl.INTERLEAVED_ATTRIBS);
gl.linkProgram(program);

            

              
                Copy
              
            
          

Režiim gl.INTERLEAVED_ATTRIBS määrab, et püütud varying-muutujad tuleks põimida ühte puhverobjekti. Alternatiivina saate kasutada gl.SEPARATE_ATTRIBS, et salvestada iga varying-muutuja eraldi puhverobjekti.

4. Puhverobjektide loomine ja sidumine

Looge puhverobjektid püütud tipuvarjutaja väljundi salvestamiseks:

            const positionBuffer = gl.createBuffer();
const velocityBuffer = gl.createBuffer();
const lifeBuffer = gl.createBuffer();

            

              
                Copy
              
            
          

Siduge need puhverobjektid transform feedback objektiga, kasutades gl.bindBufferBase(). Sidumispunkt vastab gl.transformFeedbackVaryings()-is määratud varying-muutujate järjekorrale, kui kasutate `gl.SEPARATE_ATTRIBS`, või nende deklareerimise järjekorrale tipuvarjutajas, kui kasutate `gl.INTERLEAVED_ATTRIBS`.

            gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, positionBuffer); // vPosition
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 1, velocityBuffer); // vVelocity
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 2, lifeBuffer);   // vLife

            

              
                Copy
              
            
          

Kui kasutate gl.INTERLEAVED_ATTRIBS, peate siduma ainult ühe piisava suurusega puhvri, mis mahutab kõik varying-muutujad.

            const interleavedBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, interleavedBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, particleData, gl.DYNAMIC_COPY); // particleData on TypedArray

gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, interleavedBuffer);

            

              
                Copy
              
            
          

5. Transform Feedback'i alustamine ja lõpetamine

Tipuvarjutaja väljundi püüdmise alustamiseks kutsuge välja gl.beginTransformFeedback():

            gl.beginTransformFeedback(gl.POINTS); // Määrake primitiivi tüüp

            

              
                Copy
              
            
          

Argument määrab primitiivi tüübi, mida kasutatakse väljundi püüdmiseks. Levinud valikud on gl.POINTS, gl.LINES ja gl.TRIANGLES. See peab ühtima renderdatava primitiivi tüübiga.

Seejärel joonistage oma primitiivid nagu tavaliselt, kuid pidage meeles, et fragmendivarjutajat ei käivitata transform feedback'i ajal. Aktiivne on ainult tipuvarjutaja ja selle väljund püütakse kinni.

            gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, numParticles); // Renderdage punktid

            

              
                Copy
              
            
          

Lõpuks lõpetage väljundi püüdmine, kutsudes välja gl.endTransformFeedback():

            gl.endTransformFeedback();

            

              
                Copy
              
            
          

6. Sidumise tühistamine

Pärast Transform Feedback'i kasutamist on hea tava tühistada transform feedback objekti ja puhverobjektide sidumine:

            gl.bindTransformFeedback(gl.TRANSFORM_FEEDBACK, null);
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, null);
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 1, null);
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 2, null);

            

              
                Copy
              
            
          

Tipuvarjutaja koodinäide

Siin on lihtne näide tipuvarjutajast, mis väljastab asukoha, kiiruse ja eluea atribuudid:

            #version 300 es

in vec4 aPosition;
in vec4 aVelocity;
in float aLife;

out vec4 vPosition;
out vec4 vVelocity;
out float vLife;

uniform float uTimeDelta;

void main() {
  vVelocity = aVelocity;
  vPosition = aPosition + vVelocity * uTimeDelta;
  vLife = aLife - uTimeDelta;

  gl_Position = vPosition; // Renderdamiseks on siiski vaja väljastada gl_Position.
}

            

              
                Copy
              
            
          

Selles näites:

• aPosition, aVelocity ja aLife on sisendatribuudid.
• vPosition, vVelocity ja vLife on väljund-varying'id.
• Tipuvarjutaja värskendab asukohta kiiruse ja aja põhjal.
• Tipuvarjutaja vähendab eluea atribuuti.

Praktilised rakendused

Transform Feedback võimaldab mitmeid põnevaid rakendusi WebGL-is:

1. Osakeste süsteemid

Osakeste süsteemid on Transform Feedback'i klassikaline kasutusjuhtum. Saate kasutada tipuvarjutajat iga osakese asukoha, kiiruse ja muude atribuutide värskendamiseks füüsikaliste simulatsioonide või muude reeglite alusel. Transform Feedback võimaldab teil need värskendatud atribuudid tagasi puhverobjektidesse salvestada, mida saab seejärel kasutada järgmise kaadri sisendina, luues pideva animatsiooni.

Näide: Ilutulestiku simuleerimine, kus iga osakese asukohta, kiirust ja värvi värskendatakse igas kaadris vastavalt gravitatsioonile, tuuletakistusele ja plahvatusjõududele.

2. Protseduurilise geomeetria genereerimine

Transform Feedback'i saab kasutada keeruka geomeetria protseduuriliseks genereerimiseks. Saate alustada lihtsast algvõrgust ja seejärel kasutada tipuvarjutajat selle täpsustamiseks ja alajaotamiseks mitme iteratsiooni jooksul. See võimaldab teil luua keerulisi kujundeid ja mustreid, ilma et peaksite kõiki tippe käsitsi määratlema.

Näide: Fraktaalse maastiku genereerimine, rekursiivselt kolmnurki alajaotades ja nende tippe mürafunktsiooni alusel nihutades.

3. Täiustatud renderdusefektid

Transform Feedback'i saab kasutada mitmesuguste täiustatud renderdusefektide rakendamiseks, näiteks:

• Vedeliku simulatsioon: Vedelike liikumise simuleerimine, värskendades vedelikku esindavate osakeste asukohta ja kiirust.
• Kanga simulatsioon: Kanga käitumise simuleerimine, värskendades kanga pinda esindavate tippude asukohta.
• Morfimine: Sujuv üleminek erinevate kujundite vahel, interpoleerides tipuasukohti kahe võrgu vahel.

4. GPGPU (üldotstarbeline arvutamine graafikaprotsessoritel)

Kuigi see pole selle peamine eesmärk, saab Transform Feedback'i kasutada põhiliste GPGPU ülesannete jaoks. Kuna saate andmeid tipuvarjutajast puhvritesse tagasi kirjutada, saate teha arvutusi ja salvestada tulemusi. Siiski on compute-varjutajad (saadaval WebGL 2-s) võimsam ja paindlikum lahendus üldotstarbeliseks GPU-arvutamiseks.

Näide: lihtne osakeste süsteem

Siin on detailsem näide, kuidas luua lihtne osakeste süsteem Transform Feedback'i abil. See näide eeldab, et teil on baasteadmised WebGL-i seadistamisest, varjutajate kompileerimisest ja puhverobjektide loomisest.

JavaScripti kood (kontseptuaalne):

            // 1. Initsialiseerimine
const numParticles = 1000;

// Looge algsed osakeste andmed (asukohad, kiirused, eluiga)
const initialParticleData = createInitialParticleData(numParticles);

// Looge ja siduge tipumassiivi objektid (VAO-d) sisendi ja väljundi jaoks
const vao1 = gl.createVertexArray();
const vao2 = gl.createVertexArray();

// Looge puhvrid asukohtade, kiiruste ja eluea jaoks
const positionBuffer1 = gl.createBuffer();
const velocityBuffer1 = gl.createBuffer();
const lifeBuffer1 = gl.createBuffer();

const positionBuffer2 = gl.createBuffer();
const velocityBuffer2 = gl.createBuffer();
const lifeBuffer2 = gl.createBuffer();

// Initsialiseerige puhvrid algandmetega
gl.bindVertexArray(vao1);
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer1);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, initialParticleData.positions, gl.DYNAMIC_COPY);
// ... siduge ja puhverdage velocityBuffer1 ja lifeBuffer1 sarnaselt ...

gl.bindVertexArray(vao2);
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer2);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, initialParticleData.positions, gl.DYNAMIC_COPY);
// ... siduge ja puhverdage velocityBuffer2 ja lifeBuffer2 sarnaselt ...

gl.bindVertexArray(null);

// Looge transform feedback objekt
const transformFeedback = gl.createTransformFeedback();

// Varjutajaprogrammi seadistamine (kompileerige ja linkige varjutajad)
const program = createShaderProgram(vertexShaderSource, fragmentShaderSource);

// Määrake varying-muutujad (enne programmi linkimist)
gl.transformFeedbackVaryings(program, ['vPosition', 'vVelocity', 'vLife'], gl.INTERLEAVED_ATTRIBS);
gl.linkProgram(program);
gl.useProgram(program);

// Hankige atribuutide asukohad (pärast programmi linkimist)
const positionLocation = gl.getAttribLocation(program, 'aPosition');
const velocityLocation = gl.getAttribLocation(program, 'aVelocity');
const lifeLocation = gl.getAttribLocation(program, 'aLife');

// 2. Renderdamistsükkel (lihtsustatud)
let useVAO1 = true; // Vahetage VAO-de vahel ping-pongi efekti jaoks

function render() {
  // Vahetage VAO-sid ping-pongi efekti jaoks
  const readVAO = useVAO1 ? vao1 : vao2;
  const writeVAO = useVAO1 ? vao2 : vao1;

  const readPositionBuffer = useVAO1 ? positionBuffer1 : positionBuffer2;
  const readVelocityBuffer = useVAO1 ? velocityBuffer1 : velocityBuffer2;
  const readLifeBuffer = useVAO1 ? lifeBuffer1 : lifeBuffer2;

  const writePositionBuffer = useVAO1 ? positionBuffer2 : positionBuffer1;
  const writeVelocityBuffer = useVAO1 ? velocityBuffer2 : velocityBuffer1;
  const writeLifeBuffer = useVAO1 ? lifeBuffer2 : lifeBuffer1;

  gl.bindVertexArray(readVAO);

  // Määrake atribuutide viited
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, readPositionBuffer);
gl.vertexAttribPointer(positionLocation, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(positionLocation);

  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, readVelocityBuffer);
gl.vertexAttribPointer(velocityLocation, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(velocityLocation);

  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, readLifeBuffer);
gl.vertexAttribPointer(lifeLocation, 1, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(lifeLocation);

  // Siduge transform feedback objekt
  gl.bindTransformFeedback(gl.TRANSFORM_FEEDBACK, transformFeedback);

  // Siduge väljundpuhvrid
  gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, writePositionBuffer);
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 1, writeVelocityBuffer);
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 2, writeLifeBuffer);

  // Alustage transform feedback'i
  gl.beginTransformFeedback(gl.POINTS);

  // Joonistage osakesed
  gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, numParticles);

  // Lõpetage transform feedback
  gl.endTransformFeedback();

  // Tühistage sidumine
gl.bindTransformFeedback(gl.TRANSFORM_FEEDBACK, null);
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, null);
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 1, null);
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 2, null);
gl.bindVertexArray(null);

  // Joonistage osakesed (kasutades eraldi renderdamise varjutajat)
  drawParticles(writePositionBuffer); // Eeldab, et funktsioon drawParticles on olemas.

  // Vahetage VAO-sid järgmise kaadri jaoks
  useVAO1 = !useVAO1;

  requestAnimationFrame(render);
}

render();

            

              
                Copy
              
            
          

Tipuvarjutaja kood (lihtsustatud):

            #version 300 es

in vec3 aPosition;
in vec3 aVelocity;
in float aLife;

uniform float uTimeDelta;

out vec3 vPosition;
out vec3 vVelocity;
out float vLife;

void main() {
  // Värskendage osakeste omadusi
  vVelocity = aVelocity * 0.98; // Rakendage summutust
  vPosition = aPosition + vVelocity * uTimeDelta;
  vLife = aLife - uTimeDelta;

  // Taaslooge, kui eluiga on null
  if (vLife <= 0.0) {
    vLife = 1.0;
    vPosition = vec3(0.0); // Lähtestage asukoht alguspunkti
    vVelocity = vec3((rand(gl_VertexID) - 0.5) * 2.0, 1.0, (rand(gl_VertexID + 1) - 0.5) * 2.0); // Juhuslik kiirus
  }

  gl_Position = vec4(vPosition, 1.0); // gl_Position on renderdamiseks endiselt vajalik!
  gl_PointSize = 5.0;                  // Kohandage osakese suurust vastavalt vajadusele
}

// Lihtne pseudojuhuslike arvude generaator WebGL 2 jaoks (pole krüptograafiliselt turvaline!)
float rand(int n) {
    return fract(sin(float(n) * 12.9898 + 78.233) * 43758.5453);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Selgitus:

• Ping-pongi puhverdamine: Kood kasutab kahte komplekti tipumassiivi objekte (VAO-sid) ja puhverobjekte, et rakendada ping-pongi puhverdamise tehnikat. See võimaldab lugeda ühest puhvrikomplektist, kirjutades samal ajal teise, vältides andmesõltuvusi ja tagades sujuva animatsiooni.
• Initsialiseerimine: Kood initsialiseerib osakeste süsteemi, luues vajalikud puhvrid, seadistades varjutajaprogrammi ja määrates Transform Feedback'i poolt püütavad varying-muutujad.
• Renderdamistsükkel: Renderdamistsükkel teostab järgmisi samme:
• Sidub lugemiseks sobivad VAO ja puhverobjektid.
• Määrab atribuutide viited, et öelda WebGL-ile, kuidas puhverobjektides olevaid andmeid tõlgendada.
• Sidub transform feedback objekti.
• Sidub kirjutamiseks sobivad puhverobjektid.
• Alustab transform feedback'i.
• Joonistab osakesed.
• Lõpetab transform feedback'i.
• Tühistab kõikide objektide sidumise.
• Tipuvarjutaja: Tipuvarjutaja värskendab osakese asukohta ja kiirust lihtsa simulatsiooni põhjal. Samuti kontrollib see, kas osakese eluiga on null, ja vajadusel taasloob osakese. Oluline on, et see väljastab endiselt `gl_Position` renderdamise etapi jaoks.

Parimad praktikad

• Minimeerige andmeedastust: Transform Feedback on kõige tõhusam, kui kõik arvutused tehakse GPU-s. Vältige tarbetut andmeedastust CPU ja GPU vahel.
• Kasutage sobivaid andmetüüpe: Kasutage oma vajadustele vastavaid väikseimaid andmetüüpe, et minimeerida mälukasutust ja ribalaiust.
• Optimeerige tipuvarjutajat: Optimeerige oma tipuvarjutaja koodi jõudluse parandamiseks. Vältige keerulisi arvutusi ja kasutage võimaluse korral sisseehitatud funktsioone.
• Kaaluge compute-varjutajaid: Keerukamate GPGPU ülesannete jaoks kaaluge compute-varjutajate kasutamist, mis on saadaval WebGL 2-s.
• Mõistke piiranguid: Olge teadlik Transform Feedback'i piirangutest, näiteks juhusliku juurdepääsu puudumisest väljundpuhvritele.

Jõudluse kaalutlused

Transform Feedback võib olla võimas tööriist, kuid on oluline olla teadlik selle jõudlusmõjudest:

• Puhverobjekti suurus: Transform Feedback'i jaoks kasutatavate puhverobjektide suurus võib jõudlust oluliselt mõjutada. Suuremad puhvrid nõuavad rohkem mälu ja ribalaiust.
• Varying-muutujate arv: Transform Feedback'i poolt püütud varying-muutujate arv võib samuti jõudlust mõjutada. Minimeerige varying-muutujate arvu, et vähendada edastatavate andmete hulka.
• Tipuvarjutaja keerukus: Keerulised tipuvarjutajad võivad Transform Feedback'i protsessi aeglustada. Optimeerige oma tipuvarjutaja koodi jõudluse parandamiseks.

Transform Feedback'i silumine

Transform Feedback'i silumine võib olla keeruline. Siin on mõned näpunäited:

• Kontrollige vigu: Kasutage gl.getError(), et kontrollida WebGL-i vigu pärast iga sammu Transform Feedback'i protsessis.
• Uurige puhverobjekte: Kasutage gl.getBufferSubData(), et lugeda puhverobjektide sisu ja veenduda, et andmeid kirjutatakse õigesti.
• Kasutage graafika silurit: Kasutage graafika silurit, näiteks RenderDoc, et uurida GPU olekut ja tuvastada probleeme.
• Lihtsustage varjutajat: Lihtsustage oma tipuvarjutaja koodi, et probleemi allikas isoleerida.

Kokkuvõte

WebGL Transform Feedback on väärtuslik tehnika täiustatud visuaalefektide loomiseks ja GPU-põhiste arvutuste tegemiseks. Püüdes tipuvarjutaja väljundi kinni ja suunates selle tagasi renderdamistorusse, saate avada laia valiku võimalusi osakeste süsteemide, protseduurilise geomeetria ja muude keerukate renderdusülesannete jaoks. Kuigi see nõuab hoolikat seadistamist ja optimeerimist, teevad Transform Feedback'i potentsiaalsed eelised sellest väärtusliku lisandi iga WebGL-i arendaja tööriistakasti.

Mõistes põhikontseptsioone, järgides rakendamise samme ja arvestades selles artiklis kirjeldatud parimaid praktikaid, saate rakendada Transform Feedback'i võimsust, et luua vapustavaid ja interaktiivseid WebGL-i elamusi.