WebGL-i Transform Feedback Varying: tipuatribuutide detailne püüdmine

Transform Feedback on võimas WebGL-i funktsioon, mis võimaldab teil püüda tipuvarjutajate väljundit ja kasutada seda järgnevate renderduskäikude sisendina. See tehnika avab uksed laiale valikule edasijõudnud renderdusefektidele ja geomeetria töötlemise ülesannetele otse GPU-s. Üks Transform Feedback'i oluline aspekt on mõista, kuidas määrata, milliseid tipuatribuute tuleks püüda, mida tuntakse kui "varying". See juhend pakub põhjalikku ülevaadet WebGL-i Transform Feedback'ist, keskendudes tipuatribuutide püüdmisele varying'u abil.

Mis on Transform Feedback?

Traditsiooniliselt hõlmab WebGL-i renderdamine tipuandmete saatmist GPU-le, nende töötlemist tipu- ja fragmendivarjutajate kaudu ning tulemuseks olevate pikslite kuvamist ekraanil. Tipuvarjutaja väljund visatakse pärast kärpimist ja perspektiivijagamist tavaliselt ära. Transform Feedback muudab seda paradigmat, võimaldades teil need tipuvarjutaja-järgsed tulemused kinni püüda ja salvestada tagasi puhverobjekti.

Kujutage ette stsenaariumi, kus soovite simuleerida osakeste füüsikat. Võiksite uuendada osakeste asukohti CPU-s ja saata uuendatud andmed igas kaadris renderdamiseks tagasi GPU-le. Transform Feedback pakub tõhusamat lähenemist, teostades füüsikaarvutused (kasutades tipuvarjutajat) GPU-s ja püüdes uuendatud osakeste asukohad otse tagasi puhvrisse, mis on valmis järgmise kaadri renderdamiseks. See vähendab CPU koormust ja parandab jõudlust, eriti keerukate simulatsioonide puhul.

Transform Feedback'i põhimõisted

• Tipuvarjutaja: Transform Feedback'i tuum. Tipuvarjutaja teostab arvutused, mille tulemused püütakse.
• Varying-muutujad: Need on tipuvarjutaja väljundmuutujad, mida soovite püüda. Need määravad, millised tipuatribuudid kirjutatakse tagasi puhverobjekti.
• Puhverobjektid: Salvestusruum, kuhu püütud tipuatribuudid kirjutatakse. Need puhvrid on seotud Transform Feedback objektiga.
• Transform Feedback objekt: WebGL-i objekt, mis haldab tipuatribuutide püüdmise protsessi. See määratleb sihtpuhvrid ja varying-muutujad.
• Primitiivi režiim: Määrab tipuvarjutaja genereeritud primitiivide tüübi (punktid, jooned, kolmnurgad). See on oluline korrektse puhvri paigutuse jaoks.

Transform Feedback'i seadistamine WebGL-is

Transform Feedback'i kasutamise protsess hõlmab mitut sammu:

1. Looge ja seadistage Transform Feedback objekt:

   Kasutage gl.createTransformFeedback(), et luua Transform Feedback objekt. Seejärel siduge see kasutades gl.bindTransformFeedback(gl.TRANSFORM_FEEDBACK, transformFeedback).

2. Looge ja siduge puhverobjektid:

   Looge puhverobjektid kasutades gl.createBuffer(), et salvestada püütud tipuatribuudid. Siduge iga puhverobjekt gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER sihtmärgiga, kasutades gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, index, buffer). `index` vastab varjutajaprogrammis määratud varying-muutujate järjekorrale.

3. Määrake Varying-muutujad:

   See on ülioluline samm. Enne varjutajaprogrammi linkimist peate WebGL-ile ütlema, millised tipuvarjutaja väljundmuutujad (varying-muutujad) tuleks püüda. Kasutage gl.transformFeedbackVaryings(program, varyings, bufferMode).

   • program: Varjutajaprogrammi objekt.
   • varyings: Stringide massiiv, kus iga string on tipuvarjutajas oleva varying-muutuja nimi. Nende muutujate järjekord on oluline, kuna see määrab puhvri sidumise indeksi.
   • bufferMode: Määrab, kuidas varying-muutujad puhverobjektidesse kirjutatakse. Levinumad valikud on gl.SEPARATE_ATTRIBS (iga varying läheb eraldi puhvrisse) ja gl.INTERLEAVED_ATTRIBS (kõik varying-muutujad on põimitud ühte puhvrisse).
4. Looge ja kompileerige varjutajad:

   Looge tipu- ja fragmendivarjutajad. Tipuvarjutaja peab väljastama varying-muutujad, mida soovite püüda. Fragendivarjutajat ei pruugi vaja minna, olenevalt teie rakendusest. See võib olla kasulik silumiseks.

5. Linkige varjutajaprogramm:

   Linkige varjutajaprogramm kasutades gl.linkProgram(program). On oluline kutsuda gl.transformFeedbackVaryings() *enne* programmi linkimist.

6. Alustage ja lõpetage Transform Feedback:

   Tipuatribuutide püüdmise alustamiseks kutsuge gl.beginTransformFeedback(primitiveMode), kus primitiveMode määrab genereeritavate primitiivide tüübi (nt gl.POINTS, gl.LINES, gl.TRIANGLES). Pärast renderdamist kutsuge püüdmise lõpetamiseks gl.endTransformFeedback().

7. Joonistage geomeetria:

   Kasutage geomeetria renderdamiseks gl.drawArrays() või gl.drawElements(). Tipuvarjutaja käivitatakse ja määratud varying-muutujad püütakse puhverobjektidesse.

Näide: osakeste asukohtade püüdmine

Illustreerime seda lihtsa näitega osakeste asukohtade püüdmisest. Oletame, et meil on tipuvarjutaja, mis uuendab osakeste asukohti kiiruse ja gravitatsiooni põhjal.

Tipuvarjutaja (particle.vert)

#version 300 es

in vec3 a_position;

in vec3 a_velocity;

uniform float u_timeStep;

out vec3 v_position;

out vec3 v_velocity;

void main() {
 vec3 gravity = vec3(0.0, -9.8, 0.0);
 v_velocity = a_velocity + gravity * u_timeStep;
 v_position = a_position + v_velocity * u_timeStep;

 gl_Position = vec4(v_position, 1.0);
}

See tipuvarjutaja võtab sisendatribuutideks a_position ja a_velocity. See arvutab iga osakese uue kiiruse ja asukoha, salvestades tulemused v_position ja v_velocity varying-muutujatesse. `gl_Position` on renderdamiseks seatud uuele asukohale.

JavaScripti kood

// ... WebGL-i konteksti lähtestamine ...

// 1. Looge Transform Feedback objekt
const transformFeedback = gl.createTransformFeedback();
gl.bindTransformFeedback(gl.TRANSFORM_FEEDBACK, transformFeedback);

// 2. Looge puhverobjektid asukoha ja kiiruse jaoks
const positionBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, particlePositions, gl.DYNAMIC_COPY); // Osakeste algasukohad

const velocityBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, velocityBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, particleVelocities, gl.DYNAMIC_COPY); // Osakeste algkiirused

// 3. Määrake Varying-muutujad
const varyings = ['v_position', 'v_velocity'];
gl.transformFeedbackVaryings(program, varyings, gl.SEPARATE_ATTRIBS);  // Tuleb kutsuda *enne* programmi linkimist.

// 4. Looge ja kompileerige varjutajad (lühendatult)
// ...

// 5. Linkige varjutajaprogramm
gl.linkProgram(program);

// Siduge Transform Feedback puhvrid
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, positionBuffer);  // Indeks 0 v_position jaoks
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 1, velocityBuffer);  // Indeks 1 v_velocity jaoks

// Hankige atribuutide asukohad
const positionLocation = gl.getAttribLocation(program, 'a_position');
const velocityLocation = gl.getAttribLocation(program, 'a_velocity');

// --- Renderdustsükkel --- 
function render() {
 gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

 gl.useProgram(program);

 // Lubage atribuudid
 gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
gl.vertexAttribPointer(positionLocation, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(positionLocation);

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

 // 6. Alustage Transform Feedback
 gl.enable(gl.RASTERIZER_DISCARD); // Keelake rasterdamine
gl.beginTransformFeedback(gl.POINTS);

 // 7. Joonistage geomeetria
 gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, numParticles);

 // 8. Lõpetage Transform Feedback
 gl.endTransformFeedback();
gl.disable(gl.RASTERIZER_DISCARD); // Lubage rasterdamine uuesti

 // Vahetage puhvrid (valikuline, kui soovite punkte renderdada)
 // Näiteks renderdage uuendatud asukohapuhver uuesti.

 requestAnimationFrame(render);
}

render();

Selles näites:

• Loome kaks puhverobjekti, ühe osakeste asukohtade ja teise kiiruste jaoks.
• Määrame v_position ja v_velocity varying-muutujateks.
• Seome asukohapuhvri Transform Feedback puhvrite indeksiga 0 ja kiirusepuhvri indeksiga 1.
• Keelame rasterdamise kasutades gl.enable(gl.RASTERIZER_DISCARD), sest me tahame ainult tipuatribuutide andmeid püüda; me ei taha selles käigus midagi renderdada. See on jõudluse seisukohalt oluline.
• Kutsume gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, numParticles), et käivitada tipuvarjutaja igal osakesel.
• Uuendatud osakeste asukohad ja kiirused püütakse puhverobjektidesse.
• Pärast Transform Feedback käiku võiksite vahetada sisend- ja väljundpuhvrid ning renderdada osakesed uuendatud asukohtade põhjal.

Varying-muutujad: detailid ja kaalutlused

Parameeter `varyings` funktsioonis `gl.transformFeedbackVaryings()` on stringide massiiv, mis esindab teie tipuvarjutaja väljundmuutujate nimesid, mida soovite püüda. Need muutujad peavad:

• Olemas deklareeritud kui out-muutujad tipuvarjutajas.
• Omama sobivat andmetüüpi tipuvarjutaja väljundi ja puhverobjekti salvestusruumi vahel. Näiteks, kui varying-muutuja on vec3, peab vastav puhverobjekt olema piisavalt suur, et salvestada vec3 väärtused kõigi tippude jaoks.
• Olemas õiges järjekorras. Järjekord `varyings` massiivis määrab puhvri sidumise indeksi. Esimene varying kirjutatakse puhvri indeksisse 0, teine indeksisse 1 jne.

Andmete joondamine ja puhvri paigutus

Andmete joondamise mõistmine on korrektse Transform Feedback'i toimimiseks ülioluline. Püütud tipuatribuutide paigutus puhverobjektides sõltub `bufferMode` parameetrist funktsioonis `gl.transformFeedbackVaryings()`:

• gl.SEPARATE_ATTRIBS: Iga varying-muutuja kirjutatakse eraldi puhverobjekti. Indeksiga 0 seotud puhverobjekt sisaldab kõiki esimese varying'u väärtusi, indeksiga 1 seotud puhverobjekt sisaldab kõiki teise varying'u väärtusi jne. Seda režiimi on üldiselt lihtsam mõista ja siluda.
• gl.INTERLEAVED_ATTRIBS: Kõik varying-muutujad on põimitud ühte puhverobjekti. Näiteks, kui teil on kaks varying-muutujat, v_position (vec3) ja v_velocity (vec3), sisaldab puhver järjestust vec3 (asukoht), vec3 (kiirus), vec3 (asukoht), vec3 (kiirus) jne. See režiim võib teatud kasutusjuhtudel olla tõhusam, eriti kui püütud andmeid kasutatakse põimitud tipuatribuutidena järgnevas renderduskäigus.

Sobivad andmetüübid

Tipuvarjutaja varying-muutujate andmetüübid peavad ühilduma puhverobjektide salvestusformaadiga. Näiteks, kui deklareerite varying-muutuja kui out vec3 v_color, peaksite tagama, et puhverobjekt on piisavalt suur, et salvestada vec3 väärtused (tavaliselt ujukomaarvud) kõigi tippude jaoks. Sobimatud andmetüübid võivad põhjustada ootamatuid tulemusi või vigu.

Rasterizer Discard'iga tegelemine

Kui kasutate Transform Feedback'i ainult tipuatribuutide andmete püüdmiseks (ja mitte millegi renderdamiseks esialgses käigus), on ülioluline keelata rasterdamine kasutades gl.enable(gl.RASTERIZER_DISCARD) enne gl.beginTransformFeedback() kutsumist. See takistab GPU-l teostamast mittevajalikke rasterdamisoperatsioone, mis võib oluliselt parandada jõudlust. Pidage meeles, et peate rasterdamise uuesti lubama kasutades gl.disable(gl.RASTERIZER_DISCARD) pärast gl.endTransformFeedback() kutsumist, kui kavatsete midagi renderdada järgnevas käigus.

Transform Feedback'i kasutusjuhud

Transform Feedback'il on WebGL-i renderdamisel arvukalt rakendusi, sealhulgas:

• Osakeste süsteemid: Nagu näites demonstreeritud, on Transform Feedback ideaalne osakeste asukohtade, kiiruste ja muude atribuutide uuendamiseks otse GPU-s, võimaldades tõhusaid osakeste simulatsioone.
• Geomeetria töötlemine: Saate kasutada Transform Feedback'i geomeetriliste teisenduste teostamiseks, nagu võrgu deformeerimine, alajaotamine või lihtsustamine, täielikult GPU-s. Kujutage ette tegelaskuju mudeli deformeerimist animatsiooni jaoks.
• Vedelike dünaamika: Vedeliku voolu simuleerimist GPU-s saab saavutada Transform Feedback'iga. Uuendage vedeliku osakeste asukohti ja kiirusi ning kasutage seejärel eraldi renderduskäiku vedeliku visualiseerimiseks.
• Füüsikasimulatsioonid: Üldisemalt võib igasugune füüsikasimulatsioon, mis nõuab tipuatribuutide uuendamist, kasu saada Transform Feedback'ist. See võib hõlmata riide simulatsiooni, jäikade kehade dünaamikat või muid füüsikal põhinevaid efekte.
• Punktipilvede töötlemine: Püüdke töödeldud andmeid punktipilvedest visualiseerimiseks või analüüsiks. See võib hõlmata filtreerimist, silumist või tunnuste eraldamist GPU-s.
• Kohandatud tipuatribuudid: Arvutage kohandatud tipuatribuute, nagu normaalvektorid või tekstuurikoordinaadid, teiste tipuandmete põhjal. See võib olla kasulik protseduurilise genereerimise tehnikate jaoks.
• Deferred Shading'i eelkäigud: Püüdke asukoha- ja normaalide andmed G-puhvritesse deferred shading torujuhtmete jaoks. See tehnika võimaldab keerukamaid valgustusarvutusi.

Jõudlusega seotud kaalutlused

Kuigi Transform Feedback võib pakkuda märkimisväärset jõudluse paranemist, on oluline arvestada järgmiste teguritega:

• Puhverobjekti suurus: Veenduge, et puhverobjektid oleksid piisavalt suured kõigi püütud tipuatribuutide salvestamiseks. Eraldage õige suurus tippude arvu ja varying-muutujate andmetüüpide põhjal.
• Andmeedastuse lisakulu: Vältige tarbetuid andmeedastusi CPU ja GPU vahel. Kasutage Transform Feedback'i, et teostada võimalikult palju töötlemist GPU-s.
• Rasterdamise keelamine: Lubage gl.RASTERIZER_DISCARD, kui Transform Feedback'i kasutatakse ainult andmete püüdmiseks.
• Varjutaja keerukus: Optimeerige tipuvarjutaja koodi, et minimeerida arvutuslikku kulu. Keerukad varjutajad võivad mõjutada jõudlust, eriti suure hulga tippudega tegelemisel.
• Puhvrite vahetamine: Kui kasutate Transform Feedback'i tsüklis (nt osakeste simulatsiooniks), kaaluge topeltpuhverdamise (sisend- ja väljundpuhvrite vahetamine) kasutamist, et vältida lugemis-pärast-kirjutamist ohte.
• Primitiivi tüüp: Primitiivi tüübi valik (gl.POINTS, gl.LINES, gl.TRIANGLES) võib mõjutada jõudlust. Valige oma rakenduse jaoks kõige sobivam primitiivi tüüp.

Transform Feedback'i silumine

Transform Feedback'i silumine võib olla keeruline, kuid siin on mõned näpunäited:

• Kontrollige vigu: Kasutage gl.getError(), et kontrollida WebGL-i vigu pärast iga sammu Transform Feedback'i seadistamisel.
• Kinnitage puhvrite suurused: Veenduge, et puhverobjektid oleksid piisavalt suured püütud andmete salvestamiseks.
• Uurige puhvri sisu: Kasutage gl.getBufferSubData(), et lugeda puhverobjektide sisu tagasi CPU-sse ja uurida püütud andmeid. See võib aidata tuvastada probleeme andmete joondamise või varjutaja arvutustega.
• Kasutage silurit: Kasutage WebGL-i silurit (nt Spector.js), et uurida WebGL-i olekut ja varjutaja täitmist. See võib anda väärtuslikku teavet Transform Feedback'i protsessi kohta.
• Lihtsustage varjutajat: Alustage lihtsa tipuvarjutajaga, mis väljastab ainult mõned varying-muutujad. Lisage keerukust järk-järgult, kui olete iga sammu kontrollinud.
• Kontrollige Varying'ute järjekorda: Kontrollige uuesti, kas varying-muutujate järjekord `varyings` massiivis vastab nende kirjutamise järjekorrale tipuvarjutajas ja puhvri sidumise indeksitele.
• Keelake optimeerimised: Keelake ajutiselt varjutaja optimeerimised, et muuta silumine lihtsamaks.

Ühilduvus ja laiendused

Transform Feedback on toetatud WebGL 2-s ja OpenGL ES 3.0-s ning uuemates versioonides. WebGL 1-s pakub sarnast funktsionaalsust laiendus OES_transform_feedback. Siiski on WebGL 2 implementatsioon tõhusam ja funktsioonirikkam.

Kontrollige laienduse tuge kasutades:

const transformFeedbackExtension = gl.getExtension('OES_transform_feedback');
if (transformFeedbackExtension) {
 // Kasutage laiendust
}

Kokkuvõte

WebGL-i Transform Feedback on võimas tehnika tipuatribuutide andmete püüdmiseks otse GPU-s. Mõistes varying-muutujate, puhverobjektide ja Transform Feedback objekti kontseptsioone, saate seda funktsiooni kasutada edasijõudnud renderdusefektide loomiseks, geomeetria töötlemise ülesannete teostamiseks ja oma WebGL-i rakenduste optimeerimiseks. Pidage meeles, et Transform Feedback'i rakendamisel tuleb hoolikalt kaaluda andmete joondamist, puhvrite suurusi ja jõudlusega seotud mõjusid. Hoolika planeerimise ja silumisega saate avada selle väärtusliku WebGL-i võimekuse täieliku potentsiaali.