WebGL-i oklusioon-culling: nähtavuse optimeerimise tehnikad globaalsetele rakendustele

Reaalajas 3D-graafika valdkonnas on jõudlus ülioluline. Olenemata sellest, kas arendate kaasahaaravaid kogemusi veebibrauseritele, interaktiivseid visualiseerimisi või keerukaid võrgumänge, on sujuva ja reageeriva kaadrisageduse säilitamine kasutajate kaasamiseks ülioluline. Üks tõhusamaid tehnikaid selle saavutamiseks WebGL-is on oklusioon-culling. See blogipostitus annab põhjaliku ülevaate oklusioon-cullingust WebGL-is, uurides erinevaid tehnikaid ja strateegiaid renderdamise jõudluse optimeerimiseks globaalselt kättesaadavates rakendustes.

Mis on oklusioon-culling?

Oklusioon-culling on tehnika, mida kasutatakse renderdamistorustikust objektide eemaldamiseks, mis on kaamera vaatepunktist teiste objektide taha peidetud. Sisuliselt takistab see GPU-l ressursside raiskamist geomeetria renderdamisele, mis pole kasutajale nähtav. See toob kaasa joonistuskutsete arvu ja üldise renderdamiskoormuse märkimisväärse vähenemise, mille tulemuseks on parem jõudlus, eriti suure geomeetrilise keerukusega stseenides.

Võtame näiteks virtuaalse linnastseeni. Paljud hooned võivad olla vaataja praegusest perspektiivist teiste taha peidetud. Ilma oklusioon-cullinguta üritaks GPU siiski kõiki neid peidetud hooneid renderdada. Oklusioon-culling tuvastab ja eemaldab need peidetud elemendid enne, kui need isegi renderdamisetappi jõuavad.

Miks on oklusioon-culling WebGL-is oluline?

WebGL töötab brauserikeskkonnas, millel on olemuslikult jõudluspiirangud võrreldes natiivsete rakendustega. WebGL-i jaoks optimeerimine on ülioluline, et jõuda laia publikuni ja pakkuda sujuvat kogemust erinevates seadmetes ja võrgutingimustes. Siin on põhjus, miks oklusioon-culling on WebGL-is eriti oluline:

• Brauseri piirangud: Veebibrauserid kehtestavad turvalisuse liivakastid ja ressursipiirangud, mis võivad jõudlust mõjutada.
• Erinev riistvara: WebGL-rakendused töötavad laias valikus seadmetes, alates tipptasemel mänguarvutitest kuni väikese võimsusega mobiilseadmeteni. Optimeerimised on kriitilise tähtsusega, et tagada ühtlane kogemus kogu selle spektri ulatuses.
• Võrgu latentsus: WebGL-rakendused sõltuvad sageli varade hankimisest võrgu kaudu. Renderdamiskoormuse vähendamine võib kaudselt parandada jõudlust, minimeerides võrgu latentsuse mõju.
• Energiatarve: Mobiilseadmetes tühjendab mittevajaliku geomeetria renderdamine akut. Oklusioon-culling aitab vähendada energiatarvet ja pikendada aku kasutusaega.

Vaatekoonuse culling: alus

Enne oklusioon-cullingusse süvenemist on oluline mõista vaatekoonuse cullingut (frustum culling), mis on nähtavuse optimeerimise põhitehnika. Vaatekoonuse culling eemaldab objektid, mis asuvad täielikult väljaspool kaamera vaatekoonust (3D-ruum, mis on kaamerale nähtav). See on tavaliselt esimene nähtavuse kontroll, mis renderdamistorustikus tehakse.

Vaatekoonus on määratletud kaamera asendi, orientatsiooni, vaatevälja, kuvasuhte ning lähi- ja kauglõiketasanditega. Vaatekoonuse cullingu teostamine on suhteliselt odav ja annab märkimisväärse jõudluse kasvu, eemaldades objektid, mis on täielikult vaateväljast väljas.

Vaatekoonuse cullingu rakendamine

Vaatekoonuse cullingut rakendatakse sageli lihtsa piirdekehaga testi abil. Iga objekti esindab piirdekast või -sfäär ning selle asukohta võrreldakse vaatekoonust defineerivate tasanditega. Kui piirdekehaga on täielikult väljaspool mõnda vaatekoonuse tasandit, siis objekt eemaldatakse.

Paljud WebGL-i teegid pakuvad sisseehitatud funktsioone vaatekoonuse cullinguks. Näiteks teegid nagu Three.js ja Babylon.js pakuvad vaatekoonuse cullingu võimalusi osana oma stseenihaldussüsteemidest. Isegi ilma teeki kasutamata on võimalik luua oma vaatekoonuse cullingu funktsionaalsus, mis on eriti oluline, kui jõudlus on kriitiline või kui teie stseenil on spetsiifilisi omadusi, mida vaikerakendused ei käsitle.

Oklusioon-cullingu tehnikad WebGL-is

WebGL-is saab kasutada mitmeid oklusioon-cullingu tehnikaid, millest igaühel on oma kompromissid jõudluse ja keerukuse osas. Siin on mõned levinumad:

1. Hierarhiline Z-puhverdamine (Hi-Z) oklusioon-culling

Hi-Z oklusioon-culling kasutab nähtavuse määramiseks sügavuspuhvrit (Z-puhver). Luuakse sügavuspuhvri hierarhiline esitus, tavaliselt algse Z-puhvri allaproovimise teel väiksemate sügavuspuhvrite püramiidiks. Iga tase püramiidis esindab sügavuspuhvri madalama eraldusvõimega versiooni, kus iga piksel salvestab maksimaalse sügavusväärtuse vastavas piirkonnas kõrgema eraldusvõimega tasemel.

Oklusioon-cullingu teostamiseks projitseeritakse objekti piirdekehaga Hi-Z püramiidi madalaima eraldusvõimega tasemele. Seejärel võrreldakse projitseeritud piirkonna maksimaalset sügavusväärtust objekti piirdekehaga minimaalse sügavusväärtusega. Kui Hi-Z püramiidi maksimaalne sügavusväärtus on väiksem kui objekti minimaalne sügavusväärtus, loetakse objekt varjatuks ja eemaldatakse.

Eelised:

• Suhteliselt lihtne rakendada.
• Saab rakendada täielikult GPU-l varjutajate abil.

Puudused:

• Nõuab esialgset renderdamiskäiku sügavuspuhvri genereerimiseks.
• Võib tekitada artefakte, kui Hi-Z püramiid ei ole piisavalt täpne.

Näide: Hi-Z rakendamise ülevaade

Kuigi täieliku varjutaja rakenduse esitamine jääb selle artikli raamest välja, on siin kontseptuaalne ülevaade:

1. Sügavuspuhvri genereerimine: Renderda stseen kaadripuhvrisse sügavusmanusega.
2. Hi-Z püramiidi loomine: Loo rida järjest väiksema eraldusvõimega kaadripuhvreid.
3. Allaproovimine (Downsampling): Kasuta varjutajaid sügavuspuhvri iteratiivseks allaproovimiseks, genereerides iga Hi-Z püramiidi taseme. Igas sammus võta iga piksli jaoks ümbritsevate 2x2 pikslite maksimaalne sügavusväärtus kõrgema eraldusvõimega tasemelt.
4. Oklusioonipäring: Iga objekti jaoks:
   • Projitseeri objekti piirdekast madalaima eraldusvõimega Hi-Z tasemele.
   • Loe tagasi maksimaalne sügavusväärtus projitseeritud piirkonnas.
   • Võrdle seda väärtust objekti minimaalse sügavusega. Kui see on väiksem, on objekt varjatud.

2. Oklusioonipäringud

Oklusioonipäringud on WebGL-i funktsioon, mis võimaldab GPU-l kindlaks teha, kui mitu fragmenti (pikslit) antud objektist on nähtavad. Seda teavet saab seejärel kasutada otsustamiseks, kas renderdada objekt järgmistes kaadrites.

Oklusioonipäringute kasutamiseks esitate esmalt GPU-le päringuobjekti. Seejärel renderdate objekti piirdekehaga (või objekti lihtsustatud esituse) sisselülitatud sügavustestiga, kuid ilma värvipuhvrisse kirjutamata. GPU jälgib sügavustesti läbivate fragmentide arvu. Pärast piirdekehaga renderdamist saate päringu tulemuse. Kui nähtavate fragmentide arv on null, loetakse objekt varjatuks ja selle võib järgmistes kaadrites vahele jätta.

Eelised:

• Suhteliselt täpne oklusiooni määramine.
• Saab kasutada keeruka geomeetriaga.

Puudused:

• Tekitab latentsust, kuna päringu tulemus pole saadaval enne, kui objekt on renderdatud. Seda latentsust saab leevendada, kasutades tehnikaid nagu kaadriviivitust või asünkroonseid päringuid.
• Võib tekitada GPU seiskumisi, kui päringu tulemusi loetakse tagasi liiga sageli.

Näide: oklusioonipäringu rakendamine

Siin on lihtsustatud näide, kuidas kasutada oklusioonipäringuid WebGL-is:

            // Loo oklusioonipäringu objekt
const query = gl.createQuery();

// Alusta päringut
gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query);

// Renderda objekti piirdekehaga (või lihtsustatud geomeetria)
gl.drawElements(gl.TRIANGLES, indices.length, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);

// Lõpeta päring
gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query);

// Kontrolli päringu tulemust (asünkroonselt)
gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT_AVAILABLE);

if (gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT_AVAILABLE)) {
  const visible = gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT);
  if (visible) {
   // Renderda objekt
  } else {
   // Objekt on varjatud, jäta renderdamine vahele
  }
  gl.deleteQuery(query);
}

            

              
                Copy
              
            
          

3. Portaal-culling

Portaal-culling on nähtavuse optimeerimise tehnika, mis on spetsiaalselt loodud stseenidele, kus on selgelt määratletud suletud ruumid, näiteks arhitektuursed keskkonnad või siseruumide stseenid. Stseen jaotatakse kumerateks piirkondadeks (ruumid), mis on ühendatud portaalidega (ukseavad, aknad või muud avad).

Algoritm algab kaamera praegusest asukohast ja läbib rekursiivselt stseenigraafikut, külastades ainult neid ruume, mis on potentsiaalselt nähtavad läbi portaalide. Iga ruumi puhul kontrollib algoritm, kas ruumi piirdekehaga lõikub kaamera vaatekoonusega. Kui jah, siis renderdatakse ruumi geomeetria. Seejärel külastab algoritm rekursiivselt naaberruume, mis on ühendatud portaalidega, mis on samuti nähtavad praegusest ruumist.

Eelised:

• Väga tõhus suletud keskkondades.
• Võib märkimisväärselt vähendada joonistuskutsete arvu.

Puudused:

• Nõuab hoolikat stseeni jaotamist ja portaalide määratlemist.
• Võib olla keeruline rakendada.

Näide: Portaal-cullingu stsenaarium

Kujutage ette virtuaalset muuseumi. Muuseum on jaotatud mitmeks ruumiks, millest igaüks on ühendatud ukseavadega (portaalidega). Kui kasutaja seisab ühes ruumis, renderdaks portaal-culling ainult selle ruumi geomeetriat ja ruume, mis on nähtavad läbi ukseavade. Teiste ruumide geomeetria eemaldataks.

4. Eel-arvutatud nähtavus (PVS)

Eel-arvutatud nähtavuskomplektid (Precomputed Visibility Sets, PVS) hõlmavad nähtavusteabe arvutamist võrguühenduseta ja selle salvestamist andmestruktuuri, mida saab kasutada käitusajal. See tehnika sobib staatiliste stseenide jaoks, kus geomeetria ei muutu sageli.

Eeltöötluse etapis arvutatakse iga lahtri või piirkonna jaoks stseenis nähtavuskomplekt. See nähtavuskomplekt sisaldab loendit kõigist objektidest, mis on sellest lahtrist nähtavad. Käitusajal määrab algoritm kaamera praeguse asukoha ja hangib vastava nähtavuskomplekti. Renderdatakse ainult nähtavuskomplektis olevad objektid.

Eelised:

• Kiire ja tõhus käitusajal.
• Väga tõhus staatiliste stseenide jaoks.

Puudused:

• Nõuab pikka eeltöötluse etappi.
• Ei sobi dünaamiliste stseenide jaoks.
• Võib tarbida märkimisväärse hulga mälu nähtavuskomplektide salvestamiseks.

Näide: PVS mänguarenduses

Paljud vanemad videomängud kasutasid PVS-i renderdamise jõudluse optimeerimiseks staatiliste keskkondadega tasemetel. Nähtavuskomplektid arvutati eelnevalt taseme disainiprotsessi käigus ja salvestati mänguandmete osana.

Kaalutlused globaalsetele rakendustele

WebGL-rakenduste arendamisel globaalsele publikule on oluline arvestada järgmist:

• Erinevad võrgutingimused: Kasutajatel erinevates maailma osades võivad olla väga erinevad internetiühenduse kiirused. Optimeerige varade laadimist ja minimeerige võrgu kaudu edastatavate andmete hulka.
• Seadmete võimekus: Veenduge, et teie rakendus ühildub laia valiku seadmetega, alates tipptasemel mänguarvutitest kuni väikese võimsusega mobiilseadmeteni. Kasutage adaptiivseid renderdamistehnikaid, et kohandada renderdamise kvaliteeti vastavalt seadme võimekusele.
• Lokaliseerimine: Lokaliseerige oma rakenduse tekst ja muud varad, et toetada erinevaid keeli. Kaaluge sisuedastusvõrgu (CDN) kasutamist, et serveerida lokaliseeritud varasid serveritest, mis on kasutajale geograafiliselt lähedal.
• Juurdepääsetavus: Kujundage oma rakendus nii, et see oleks juurdepääsetav puuetega kasutajatele. Pakkuge piltidele alternatiivset teksti, kasutage klaviatuurinavigatsiooni ja veenduge, et teie rakendus ühildub ekraanilugejatega.

Oklusioon-cullingu optimeerimine WebGL-is

Siin on mõned üldised näpunäited oklusioon-cullingu optimeerimiseks WebGL-is:

• Kasutage lihtsustatud geomeetriat: Kasutage oklusioon-cullinguks lihtsustatud geomeetriat. Täisobjekti renderdamise asemel kasutage piirdekasti või -sfääri.
• Kombineerige oklusioon-culling vaatekoonuse cullinguga: Tehke vaatekoonuse culling enne oklusioon-cullingut, et eemaldada objektid, mis on täielikult vaateväljast väljas.
• Kasutage asünkroonseid päringuid: Kasutage asünkroonseid oklusioonipäringuid, et vältida GPU seiskumisi.
• Profileerige oma rakendust: Kasutage WebGL-i profileerimisvahendeid, et tuvastada jõudluse kitsaskohad ja optimeerida oma koodi vastavalt.
• Tasakaalustage täpsust ja jõudlust: Valige oklusioon-cullingu tehnika, mis leiab tasakaalu täpsuse ja jõudluse vahel. Mõnel juhul võib olla parem renderdada mõned lisobjektid kui kulutada liiga palju aega oklusioon-cullingule.

Põhitõdedest edasi: täiustatud tehnikad

Lisaks ülaltoodud põhitehnikatele on mitmeid täiustatud strateegiaid, mis võivad WebGL-is nähtavuse optimeerimist veelgi parandada:

1. Konservatiivne rasterdamine

Konservatiivne rasterdamine laiendab kolmnurkade rasterdamise katvust, tagades, et isegi pikslid, mis on kolmnurgaga vaid osaliselt kaetud, loetakse kaetuks. See võib olla eriti kasulik oklusioon-cullinguks, kuna see aitab vältida olukordi, kus väikesed või õhukesed objektid eemaldatakse täpsusprobleemide tõttu valesti.

2. Nähtavuspuhver (ViBu)

Nähtavuspuhver (Visibility Buffer, ViBu) on ekraaniruumi andmestruktuur, mis salvestab iga piksli nähtavusteabe. Seda teavet saab seejärel kasutada erinevate renderdusefektide jaoks, nagu ümbritsev oklusioon ja globaalne valgustus. ViBu-d saab kasutada ka oklusioon-cullinguks, määrates, millised objektid on igas pikslis nähtavad.

3. GPU-põhine renderdamine

GPU-põhine renderdamine nihutab suurema osa renderdamiskoormusest CPU-lt GPU-le. See võib olla eriti kasulik oklusioon-cullinguks, kuna see võimaldab GPU-l teostada nähtavuse määramist paralleelselt teiste renderdamisülesannetega.

Reaalse maailma näited

Vaatleme mõningaid näiteid, kuidas oklusioon-cullingut kasutatakse reaalsetes WebGL-rakendustes:

• Võrgumängud: Paljud võrgumängud kasutavad oklusioon-cullingut, et optimeerida renderdamise jõudlust keerukates mängukeskkondades. Näiteks võib suure linnastseeniga mäng kasutada portaal-cullingut, et renderdada ainult need hooned, mis on mängija praegusest asukohast nähtavad.
• Arhitektuursed visualiseerimised: Arhitektuursed visualiseerimised kasutavad sageli oklusioon-cullingut interaktiivsete läbikäikude jõudluse parandamiseks. Näiteks võib virtuaalset hoonet uuriv kasutaja näha ainult neid ruume, mis on tema praegusest asukohast nähtavad.
• Interaktiivsed kaardid: Interaktiivsed kaardid võivad kasutada oklusioon-cullingut kaardiplaatide renderdamise optimeerimiseks. Näiteks võib 3D-kaarti vaatav kasutaja näha ainult neid plaate, mis on tema praegusest vaatepunktist nähtavad.

Oklusioon-cullingu tulevik WebGL-is

Kuna WebGL areneb edasi, võime oodata edasisi edusamme oklusioon-cullingu tehnikates. Siin on mõned potentsiaalsed tuleviku arenguvaldkonnad:

• Riistvaraline kiirendus: WebGL-i tulevased versioonid võivad pakkuda riistvaralist kiirendust oklusioon-cullinguks, muutes selle veelgi tõhusamaks.
• AI-põhine oklusioon-culling: Masinõppe tehnikaid saaks kasutada nähtavuse ennustamiseks ja oklusioon-cullingu otsuste optimeerimiseks.
• Integratsioon WebGPU-ga: WebGPU, WebGL-i järeltulija, on loodud pakkuma madalama taseme juurdepääsu GPU riistvarale, mis võiks võimaldada keerukamaid oklusioon-cullingu tehnikaid.

Kokkuvõte

Oklusioon-culling on võimas tehnika renderdamise jõudluse optimeerimiseks WebGL-rakendustes. Eemaldades objektid, mis pole kasutajale nähtavad, saab oklusioon-culling märkimisväärselt vähendada joonistuskutsete arvu ja parandada kaadrisagedust. WebGL-rakenduste arendamisel globaalsele publikule on oluline arvestada brauserikeskkonna piirangutega, erinevate seadmete riistvaravõimekusega ja võrgu latentsuse mõjuga. Hoolikalt õigete oklusioon-cullingu tehnikate valimisega ja oma koodi optimeerimisega saate pakkuda sujuvat ja reageerivat kogemust kasutajatele üle kogu maailma.

Pidage meeles, et peate oma rakendust regulaarselt profileerima ja katsetama erinevaid oklusioon-cullingu tehnikaid, et leida oma konkreetsetele vajadustele parim lahendus. Võti on leida tasakaal täpsuse ja jõudluse vahel, et saavutada sihtrühmale optimaalne renderdamise kvaliteet ja kaadrisagedus.