WebGL-i oklusioonipäringud: nähtavuse testimine ja jõudluse optimeerimine

WebGL-i arendusmaailmas on jõudlus esmatähtis. Keerulised stseenid paljude objektidega võivad GPU-le kiiresti koormavaks muutuda, mis viib kaadrite kadumiseni ja halva kasutajakogemuseni. Üks võimas tehnika selle leevendamiseks on oklusioonivälistamine (occlusion culling), kus teiste objektide taha peitunud objekte ei renderdata, säästes väärtuslikku töötlemisaega. WebGL-i oklusioonipäringud pakuvad mehhanismi objektide nähtavuse tõhusaks kindlaksmääramiseks, võimaldades efektiivset oklusioonivälistamist.

Mis on WebGL-i oklusioonipäringud?

WebGL-i oklusioonipäring on funktsioon, mis võimaldab küsida GPU-lt, mitu fragmenti (pikslit) joonistati konkreetse renderduskäskude komplektiga. Sisuliselt esitate objektile joonistuskutsed ja GPU annab teada, kas mõni selle fragmentidest läbis sügavustesti ja oli tegelikult nähtav. Seda teavet saab seejärel kasutada, et teha kindlaks, kas objekt on teiste stseenis olevate objektide poolt varjatud. Kui päring tagastab nulli (või väga väikese arvu), tähendab see, et objekt oli täielikult (või peaaegu täielikult) varjatud ja seda ei ole vaja järgmistes kaadrites renderdada. See tehnika vähendab märkimisväärselt renderduskoormust ja parandab jõudlust, eriti keerulistes stseenides.

Kuidas oklusioonipäringud töötavad: lihtsustatud ülevaade

1. Looge päringuobjekt: Kõigepealt loote päringuobjekti, kasutades gl.createQuery(). See objekt hoiab oklusioonipäringu tulemusi.
2. Alustage päringut: Alustate päringut, kasutades gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query). Sihtmärk gl.ANY_SAMPLES_PASSED määrab, et oleme huvitatud sellest, kas mõni sämpl (fragment) läbis sügavustesti. On ka teisi sihtmärke, näiteks gl.ANY_SAMPLES_PASSED_CONSERVATIVE (mis annab konservatiivsema tulemuse, potentsiaalselt kaasates valepositiivseid tulemusi parema jõudluse nimel) ja gl.SAMPLES_PASSED (mis loeb sügavustesti läbinud sämplite arvu, on WebGL2-s aegunud).
3. Renderdage potentsiaalselt varjatud objekt: Seejärel väljastate joonistuskutsed objektile, mille nähtavust soovite testida. Tavaliselt on see lihtsustatud piirdekarp (bounding box) või objekti jäme esitus. Lihtsustatud versiooni renderdamine vähendab päringu enda mõju jõudlusele.
4. Lõpetage päring: Lõpetate päringu, kasutades gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED).
5. Hankige päringutulemus: Päringu tulemus pole kohe saadaval. GPU vajab aega renderduskäskude töötlemiseks ja läbinud fragmentide arvu kindlaksmääramiseks. Tulemuse saate hankida, kasutades gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT).
6. Tõlgendage tulemust: Kui päringu tulemus on suurem kui null, tähendab see, et vähemalt üks objekti fragment oli nähtav. Kui tulemus on null, tähendab see, et objekt oli täielikult varjatud.
7. Kasutage tulemust oklusioonivälistamiseks: Päringu tulemuse põhjal saate otsustada, kas renderdada täielik ja detailne objekt järgmistes kaadrites.

Oklusioonipäringute kasutamise eelised

• Parem renderdusjõudlus: Vältides varjatud objektide renderdamist, võivad oklusioonipäringud märkimisväärselt vähendada renderduskoormust, mis toob kaasa kõrgema kaadrisageduse ja sujuvama kasutajakogemuse.
• Väiksem GPU koormus: Vähem renderdamist tähendab vähem tööd GPU-le, mis võib parandada aku kestvust mobiilseadmetes ja vähendada soojuse teket lauaarvutites.
• Täiustatud visuaalne kvaliteet: Renderdusjõudluse optimeerimisega saate endale lubada keerukamate ja detailsemate stseenide renderdamist ilma kaadrisagedust ohverdamata.
• Skaleeritavus: Oklusioonipäringud on eriti kasulikud keeruliste ja suure hulga objektidega stseenide puhul, kuna jõudluse kasv suureneb stseeni keerukusega.

Väljakutsed ja kaalutlused

Kuigi oklusioonipäringud pakuvad märkimisväärseid eeliseid, on ka mõningaid väljakutseid ja kaalutlusi, mida meeles pidada:

• Latentsus: Oklusioonipäringud tekitavad latentsust, kuna päringu tulemus pole kohe saadaval. GPU vajab aega renderduskäskude töötlemiseks ja läbinud fragmentide arvu kindlaksmääramiseks. See latentsus võib hoolika käsitlemiseta põhjustada visuaalseid artefakte.
• Päringute lisakulu: Oklusioonipäringute teostamine tekitab ka teatud lisakulu. GPU peab jälgima päringu olekut ja lugema sügavustesti läbivaid fragmente. See lisakulu võib jõudluse eelised tühistada, kui päringuid ei kasutata kaalutletult.
• Konservatiivne oklusioon: Latentsuse mõju minimeerimiseks on sageli soovitav kasutada konservatiivset oklusiooni, kus objekte peetakse nähtavaks isegi siis, kui nähtaval on vaid väike arv fragmente. See võib viia osaliselt varjatud objektide renderdamiseni, kuid see väldib visuaalseid artefakte, mis võivad tekkida agressiivse oklusioonivälistamisega.
• Piirdemahu valik: Oklusioonipäringu jaoks valitud piirdemaht (nt piirdekarp, piirdekera) võib oluliselt mõjutada jõudlust. Lihtsamate piirdemahtude renderdamine on kiirem, kuid võib põhjustada rohkem valepositiivseid tulemusi (st objekte peetakse nähtavaks, kuigi nad on enamasti varjatud).
• Sünkroniseerimine: Päringu tulemuse hankimine nõuab sünkroniseerimist CPU ja GPU vahel. See sünkroniseerimine võib tekitada seiskumisi renderdustorus, mis võib jõudlust negatiivselt mõjutada.
• Brauseri ja riistvara ühilduvus: Veenduge, et sihtbrauserid ja riistvara toetaksid oklusioonipäringuid. Kuigi laialdaselt toetatud, ei pruugi vanematel süsteemidel see funktsioon olla, mis nõuab varumehhanisme.

Parimad praktikad WebGL-i oklusioonipäringute kasutamiseks

Oklusioonipäringute eeliste maksimeerimiseks ja väljakutsete minimeerimiseks kaaluge järgmisi parimaid praktikaid:

1. Kasutage lihtsustatud piirdemahte

Selle asemel, et renderdada oklusioonipäringu jaoks täielik ja detailne objekt, renderdage lihtsustatud piirdemaht, näiteks piirdekarp või piirdekera. See vähendab renderduskoormust ja kiirendab päringuprotsessi. Piirdemaht peaks objekti tihedalt ümbritsema, et minimeerida valepositiivseid tulemusi.

Näide: Kujutage ette keerulist auto 3D-mudelit. Selle asemel, et renderdada kogu auto mudel oklusioonipäringu jaoks, võiksite renderdada lihtsa piirdekarbi, mis auto ümbritseb. Selle piirdekarbi renderdamine on palju kiirem kui kogu auto mudeli renderdamine.

2. Kasutage hierarhilist oklusioonivälistamist

Keeruliste stseenide puhul kaaluge hierarhilise oklusioonivälistamise kasutamist, kus korraldate objektid piirdemahtude hierarhiaks. Seejärel saate kõigepealt teha oklusioonipäringuid kõrgema taseme piirdemahtudele. Kui kõrgema taseme piirdemaht on varjatud, saate vältida oklusioonipäringute tegemist selle lastele. See võib oluliselt vähendada vajalike oklusioonipäringute arvu.

Näide: Mõelge stseenile, kus on linn. Võiksite hooned organiseerida kvartaliteks ja seejärel kvartalid linnaosadeks. Seejärel saaksite kõigepealt teha oklusioonipäringuid linnaosadele. Kui linnaosa on varjatud, saate vältida oklusioonipäringute tegemist selle linnaosa üksikutele kvartalitele ja hoonetele.

3. Kasutage kaadrite koherentsust

Oklusioonipäringutel on kaadrite koherentsus, mis tähendab, et objekti nähtavus on tõenäoliselt sarnane ühelt kaadrilt teisele. Saate seda kaadrite koherentsust ära kasutada, salvestades päringutulemused vahemällu ja kasutades neid objektide nähtavuse ennustamiseks järgmistes kaadrites. See võib vähendada vajalike oklusioonipäringute arvu ja parandada jõudlust.

Näide: Kui objekt oli eelmises kaadris nähtav, võite eeldada, et see on tõenäoliselt nähtav ka praeguses kaadris. Seejärel saate selle objekti oklusioonipäringu tegemist edasi lükata, kuni on tõenäoline, et see on varjatud (nt kui see liigub teise objekti taha).

4. Kaaluge konservatiivse oklusiooni kasutamist

Latentsuse mõju minimeerimiseks kaaluge konservatiivse oklusiooni kasutamist, kus objekte peetakse nähtavaks isegi siis, kui nähtaval on vaid väike arv fragmente. Selle saab saavutada, seades päringutulemusele lävendi. Kui päringutulemus on lävendist kõrgem, peetakse objekti nähtavaks. Vastasel juhul peetakse seda varjatuks.

Näide: Võiksite seada lävendiks 10 fragmenti. Kui päringutulemus on suurem kui 10, peetakse objekti nähtavaks. Vastasel juhul peetakse seda varjatuks. Sobiv lävend sõltub teie stseeni objektide suurusest ja keerukusest.

5. Rakendage varumehhanism

Mitte kõik brauserid ja riistvara ei toeta oklusioonipäringuid. On oluline rakendada varumehhanism, mida saab kasutada siis, kui oklusioonipäringud pole saadaval. See võib hõlmata lihtsama oklusioonivälistamise algoritmi kasutamist või oklusioonivälistamise täielikku keelamist.

Näide: Võiksite kontrollida, kas laiendus EXT_occlusion_query_boolean on toetatud. Kui see pole nii, võiksite kasutada lihtsat kauguspõhist välistamisalgoritmi, kus kaamerast liiga kaugel asuvaid objekte ei renderdata.

6. Optimeerige renderdustoru

Oklusioonipäringud on vaid üks osa puslest, kui tegemist on renderdusjõudluse optimeerimisega. Oluline on optimeerida ka ülejäänud renderdustoru, sealhulgas:

• Joonistuskutsete arvu vähendamine: Joonistuskutsete partii-töötlemine võib oluliselt vähendada renderdamise lisakulu.
• Tõhusate varjutajate (shader) kasutamine: Varjutajate optimeerimine võib vähendada iga tipu ja fragmendi töötlemiseks kuluvat aega.
• Mipmapping'u kasutamine: Mipmapping võib parandada tekstuuri filtreerimise jõudlust.
• Ülejoonistamise (overdraw) vähendamine: Ülejoonistamine toimub siis, kui fragmente joonistatakse üksteise peale, raisates töötlemisaega.
• Instantseerimise (instancing) kasutamine: Instantseerimine võimaldab teil renderdada sama objekti mitu koopiat ühe joonistuskutsega.

7. Asünkroonne päringutulemuste hankimine

Päringutulemuse hankimine võib põhjustada seiskumisi, kui GPU pole päringu töötlemist lõpetanud. Asünkroonsete hankimismehhanismide kasutamine, kui need on saadaval, aitab seda leevendada. Tehnikad võivad hõlmata teatud arvu kaadrite ootamist enne tulemuse hankimist või spetsiaalsete töötlõimede (worker threads) kasutamist päringute hankimise protsessi haldamiseks, vältides peamise renderduslõime blokeerimist.

Koodinäide: oklusioonipäringu põhiline teostus

Siin on lihtsustatud näide, mis demonstreerib oklusioonipäringute põhikasutust WebGL-is:

// Looge päringuobjekt const query = gl.createQuery(); // Alustage päringut gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query); // Renderdage objekt (nt piirdekarp) gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, vertexCount); // Lõpetage päring gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED); // Hankige päringutulemus asünkroonselt (näide kasutades requestAnimationFrame) function checkQueryResult() { gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT_AVAILABLE, (available) => { if (available) { gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT, (result) => { const isVisible = result > 0; // Kasutage nähtavuse tulemust, et otsustada, kas renderdada kogu objekt if (isVisible) { renderFullObject(); } }); } else { requestAnimationFrame(checkQueryResult); } }); } requestAnimationFrame(checkQueryResult);

Märkus: See on lihtsustatud näide ega sisalda veakäsitlust, korrektset ressursihaldust ega täiustatud optimeerimistehnikaid. Ärge unustage seda kohandada oma konkreetse stseeni ja nõuetega. Veakäsitlus, eriti laienduste toe ja päringute kättesaadavuse osas, on tootmiskeskkondades ülioluline. Samuti tuleks kaaluda kohandusi erinevate võimalike stsenaariumide käsitlemiseks.

Oklusioonipäringud reaalsetes rakendustes

Oklusioonipäringuid kasutatakse paljudes reaalsetes rakendustes, sealhulgas:

• Mänguarendus: Oklusioonivälistamine on oluline tehnika renderdusjõudluse optimeerimiseks mängudes, eriti keerulistes ja paljude objektidega stseenides. Näideteks on AAA-taseme mängud, mida renderdatakse brauseris WebAssembly ja WebGL-i abil, ning veebipõhised vabaajamängud detailsete keskkondadega.
• Arhitektuurne visualiseerimine: Oklusioonipäringuid saab kasutada arhitektuursete visualiseerimiste jõudluse parandamiseks, võimaldades kasutajatel reaalajas uurida suuri ja detailseid hoone mudeleid. Kujutage ette virtuaalse muuseumi külastamist lugematute eksponaatidega – oklusioonivälistamine tagab sujuva navigeerimise.
• Geograafilised infosüsteemid (GIS): Oklusioonipäringuid saab kasutada suurte ja keeruliste geograafiliste andmekogumite, näiteks linnade ja maastike, renderdamise optimeerimiseks. Näiteks linnaplaneerimise simulatsioonide jaoks brauseris linnade 3D-mudelite visualiseerimine saab oklusioonivälistamisest palju kasu.
• Meditsiiniline pildindus: Oklusioonipäringuid saab kasutada meditsiiniliste pildindusrakenduste jõudluse parandamiseks, võimaldades arstidel reaalajas visualiseerida keerulisi anatoomilisi struktuure.
• E-kaubandus: Toodete 3D-mudeleid esitlevate veebisaitide puhul aitavad oklusioonipäringud vähendada GPU koormust, tagades sujuvama kogemuse ka vähem võimsatel seadmetel. Mõelge keerulise mööblieseme 3D-mudeli vaatamisele mobiilseadmes; oklusioonivälistamine aitab säilitada mõistlikku kaadrisagedust.

Kokkuvõte

WebGL-i oklusioonipäringud on võimas tööriist renderdusjõudluse optimeerimiseks ja kasutajakogemuse parandamiseks veebirakendustes. Varjatud objektide tõhusa välistamisega saate vähendada renderduskoormust, parandada kaadrisagedust ning luua keerukamaid ja detailsemaid stseene. Kuigi on väljakutseid, mida arvesse võtta, nagu latentsus ja päringute lisakulu, aitab parimate praktikate järgimine ja teie rakenduse spetsiifiliste vajaduste hoolikas kaalumine avada oklusioonipäringute täieliku potentsiaali. Neid tehnikaid omandades saavad arendajad üle maailma pakkuda rikkalikumaid, kaasahaaravamaid ja jõudlusvõimelisemaid veebipõhiseid 3D-kogemusi.

Lisamaterjalid

• WebGL-i spetsifikatsioon: Kõige ajakohasema teabe saamiseks oklusioonipäringute kohta vaadake ametlikku WebGL-i spetsifikatsiooni.
• Khronos Group: Uurige Khronos Groupi veebisaiti, et leida ressursse WebGL-i ja OpenGL ES-i kohta.
• Veebipõhised õpetused ja artiklid: Otsige veebist õpetusi ja artikleid WebGL-i oklusioonipäringute kohta, et leida praktilisi näiteid ja täiustatud tehnikaid.
• WebGL-i demod: Uurige olemasolevaid WebGL-i demosid, mis kasutavad oklusioonipäringuid, et õppida reaalsetest teostustest.