پشتیبانی سخت‌افزاری سایه‌زنی با نرخ متغیر در WebGL: تشخیص قابلیت GPU

سایه‌زنی با نرخ متغیر (VRS) یک تکنیک رندرینگ قدرتمند است که به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد نرخ سایه‌زنی را در نواحی مختلف صفحه کنترل کنند. با کاهش نرخ سایه‌زنی در مناطقی که جزئیات اهمیت کمتری دارند، VRS می‌تواند به طور قابل توجهی عملکرد رندرینگ را بدون افت محسوس در کیفیت بصری بهبود بخشد. این امر به ویژه برای دستگاه‌های با منابع محدود و برنامه‌های کاربردی سنگین مانند بازی‌ها، شبیه‌سازی‌ها و واقعیت مجازی حیاتی است.

با این حال، VRS یک ویژگی وابسته به سخت‌افزار است. همه GPUها از آن پشتیبانی نمی‌کنند و حتی آن‌هایی که پشتیبانی می‌کنند ممکن است قابلیت‌های متفاوتی داشته باشند. بنابراین، تشخیص دقیق پشتیبانی سخت‌افزاری VRS اولین گام حیاتی در بهره‌برداری مؤثر از این فناوری در برنامه‌های WebGL شماست. این پست وبلاگ شما را در فرآیند تشخیص پشتیبانی VRS و درک سطوح مختلف قابلیت‌هایی که ممکن است با آن‌ها مواجه شوید، راهنمایی می‌کند.

سایه‌زنی با نرخ متغیر (VRS) چیست؟

به طور سنتی، هر پیکسل روی صفحه به صورت جداگانه سایه‌زنی می‌شود (یعنی رنگ آن محاسبه می‌شود). این نرخ سایه‌زنی یکنواخت می‌تواند بیهوده باشد، زیرا برخی از نواحی صفحه ممکن است به چنین دقت بالایی نیاز نداشته باشند. به عنوان مثال، مناطقی با کنتراست پایین یا حرکت سریع اغلب می‌توانند با نرخ پایین‌تری سایه‌زنی شوند بدون اینکه تأثیر قابل توجهی بر کیفیت بصری درک شده داشته باشند.

VRS به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد تا نرخ‌های سایه‌زنی متفاوتی را برای نواحی مختلف صفحه مشخص کنند. این کار معمولاً با تقسیم صفحه به کاشی‌ها یا بلوک‌ها و اختصاص یک نرخ سایه‌زنی به هر کاشی انجام می‌شود. نرخ سایه‌زنی پایین‌تر به این معنی است که GPU پیکسل‌های کمتری را در آن کاشی سایه‌زنی می‌کند و به طور مؤثر حجم کار رندرینگ را کاهش می‌دهد.

معمولاً دو نوع اصلی VRS وجود دارد:

• سایه‌زنی پیکسلی درشت (CPS): این نوع VRS به شما امکان می‌دهد نرخ سایه‌زنی را بر اساس هر کاشی مشخص کنید. اندازه کاشی معمولاً کوچک است، مانند 8x8 یا 16x16 پیکسل. CPS یک شکل نسبتاً ساده و کارآمد از VRS است.
• سایه‌زنی تطبیقی با محتوا (CAS): این شکل پیشرفته‌تر VRS به طور پویا نرخ سایه‌زنی را بر اساس محتوای صحنه تنظیم می‌کند. به عنوان مثال، مناطقی با جزئیات یا حرکت زیاد ممکن است با نرخ بالاتر سایه‌زنی شوند، در حالی که مناطقی با جزئیات کم یا محتوای ثابت ممکن است با نرخ پایین‌تر سایه‌زنی شوند. CAS به تحلیل پیچیده‌تری از صحنه نیاز دارد، اما می‌تواند دستاوردهای عملکردی بیشتری را فراهم کند.

مزایای استفاده از VRS در WebGL

پیاده‌سازی VRS در برنامه‌های WebGL شما چندین مزیت کلیدی ارائه می‌دهد:

• بهبود عملکرد: با کاهش نرخ سایه‌زنی در نواحی کم‌اهمیت‌تر، VRS می‌تواند به طور قابل توجهی حجم کار رندرینگ را کاهش دهد و منجر به نرخ فریم بالاتر و عملکرد روان‌تر، به ویژه در دستگاه‌های پایین‌رده شود.
• افزایش عمر باتری: برای دستگاه‌های موبایل و لپ‌تاپ‌ها، کاهش حجم کار رندرینگ می‌تواند به عمر باتری طولانی‌تر منجر شود و به کاربران اجازه دهد از برنامه‌های شما برای مدت طولانی‌تری لذت ببرند.
• کیفیت بصری بهبود یافته (در برخی موارد): اگرچه ممکن است غیر منطقی به نظر برسد، VRS گاهی اوقات می‌تواند با اجازه دادن به شما برای تخصیص منابع رندرینگ بیشتر به مناطقی که از نظر بصری مهم هستند، کیفیت بصری را بهبود بخشد. به عنوان مثال، می‌توانید نرخ سایه‌زنی در پس‌زمینه را کاهش دهید و از منابع ذخیره شده برای افزایش نرخ سایه‌زنی در پیش‌زمینه استفاده کنید، که منجر به اشیاء پیش‌زمینه واضح‌تر و با جزئیات بیشتر می‌شود.
• مقیاس‌پذیری: VRS به برنامه شما اجازه می‌دهد تا در پیکربندی‌های سخت‌افزاری مختلف بهتر مقیاس‌پذیر باشد. در GPUهای پیشرفته، می‌توانید از نرخ سایه‌زنی بالاتر برای دستیابی به حداکثر کیفیت بصری استفاده کنید، در حالی که در GPUهای پایین‌رده، می‌توانید از نرخ سایه‌زنی پایین‌تر برای حفظ عملکرد قابل قبول استفاده کنید.

تشخیص پشتیبانی سخت‌افزاری VRS در WebGL

قبل از اینکه بتوانید استفاده از VRS را در برنامه WebGL خود شروع کنید، باید تعیین کنید که آیا GPU کاربر از آن پشتیبانی می‌کند یا خیر. این شامل بررسی وجود اکستنشن‌های لازم WebGL است.

۱. بررسی اکستنشن `ANGLE_variable_rate_shading`

اکستنشن اصلی که VRS را در WebGL فعال می‌کند `ANGLE_variable_rate_shading` است. شما می‌توانید وجود آن را با استفاده از متد `getExtension()` از کانتکست WebGL بررسی کنید:

            const gl = canvas.getContext('webgl2');
if (!gl) {
  console.error('WebGL 2 is not supported.');
  return;
}

const vrsExtension = gl.getExtension('ANGLE_variable_rate_shading');

if (vrsExtension) {
  console.log('Variable Rate Shading is supported!');
} else {
  console.log('Variable Rate Shading is not supported.');
}

            

              
                Copy
              
            
          

نکته مهم: اکستنشن `ANGLE_variable_rate_shading` توسط پروژه ANGLE (Almost Native Graphics Layer Engine) ارائه شده است. ANGLE توسط بسیاری از مرورگرها برای ترجمه فراخوانی‌های WebGL به APIهای گرافیکی بومی پلتفرم‌های مختلف (مثلاً Direct3D در ویندوز، Metal در macOS و iOS، Vulkan در اندروید) استفاده می‌شود. بنابراین، وجود این اکستنشن نشان می‌دهد که درایور گرافیک و سخت‌افزار زیربنایی از VRS پشتیبانی می‌کنند، حتی اگر پیاده‌سازی بومی WebGL به طور مستقیم قابلیت VRS را ارائه ندهد.

۲. بررسی قابلیت‌های VRS

هنگامی که تأیید کردید اکستنشن `ANGLE_variable_rate_shading` در دسترس است، باید قابلیت‌های خاص پیاده‌سازی VRS را بررسی کنید. این اکستنشن چندین ثابت و متد را برای استعلام این قابلیت‌ها فراهم می‌کند.

الف. نرخ‌های سایه‌زنی پشتیبانی شده

این اکستنشن مجموعه‌ای از ثابت‌ها را تعریف می‌کند که نرخ‌های سایه‌زنی پشتیبانی شده را نشان می‌دهند. این ثابت‌ها توان‌هایی از دو هستند و تعداد پیکسل‌هایی را که در هر فرگمنت سایه‌زنی می‌شوند، نشان می‌دهند.

• `gl.SHADING_RATE_1X1_PIXELS`: سایه‌زنی هر پیکسل (1x1).
• `gl.SHADING_RATE_1X2_PIXELS`: سایه‌زنی هر پیکسل دوم به صورت افقی (1x2).
• `gl.SHADING_RATE_2X1_PIXELS`: سایه‌زنی هر پیکسل دوم به صورت عمودی (2x1).
• `gl.SHADING_RATE_2X2_PIXELS`: سایه‌زنی هر پیکسل دوم در هر دو بعد (2x2).
• `gl.SHADING_RATE_4X2_PIXELS`: سایه‌زنی هر پیکسل چهارم به صورت افقی و هر پیکسل دوم به صورت عمودی (4x2).
• `gl.SHADING_RATE_2X4_PIXELS`: سایه‌زنی هر پیکسل دوم به صورت افقی و هر پیکسل چهارم به صورت عمودی (2x4).
• `gl.SHADING_RATE_4X4_PIXELS`: سایه‌زنی هر پیکسل چهارم در هر دو بعد (4x4).

برای تعیین اینکه کدام نرخ‌های سایه‌زنی واقعاً توسط GPU پشتیبانی می‌شوند، می‌توانید از متد `getSupportedShadingRates()` اکستنشن استفاده کنید. این متد آرایه‌ای از مقادیر بولی را برمی‌گرداند که هر عنصر نشان می‌دهد آیا نرخ سایه‌زنی مربوطه پشتیبانی می‌شود یا خیر. ترتیب عناصر با ترتیب ثابت‌های ذکر شده در بالا مطابقت دارد.

            if (vrsExtension) {
  const supportedShadingRates = vrsExtension.getSupportedShadingRates();

  console.log('Supported Shading Rates:');
  console.log('  1x1: ' + supportedShadingRates[0]);
  console.log('  1x2: ' + supportedShadingRates[1]);
  console.log('  2x1: ' + supportedShadingRates[2]);
  console.log('  2x2: ' + supportedShadingRates[3]);
  console.log('  4x2: ' + supportedShadingRates[4]);
  console.log('  2x4: ' + supportedShadingRates[5]);
  console.log('  4x4: ' + supportedShadingRates[6]);
}

            

              
                Copy
              
            
          

با بررسی آرایه `supportedShadingRates`، می‌توانید تعیین کنید که کدام نرخ‌های سایه‌زنی را می‌توانید با خیال راحت در برنامه خود استفاده کنید.

ب. تعداد ترکیب‌کننده‌های نرخ سایه‌زنی

خاصیت `shadingRateCombinerCount` اکستنشن تعداد ترکیب‌کننده‌های نرخ سایه‌زنی را که توسط GPU پشتیبانی می‌شوند، نشان می‌دهد. ترکیب‌کننده‌های نرخ سایه‌زنی به شما امکان می‌دهند چندین منبع اطلاعات نرخ سایه‌زنی را برای تولید نرخ نهایی ترکیب کنید. هرچه ترکیب‌کننده‌های بیشتری در دسترس باشد، انعطاف‌پذیری شما در کنترل نرخ سایه‌زنی بیشتر خواهد بود.

            if (vrsExtension) {
  const shadingRateCombinerCount = vrsExtension.shadingRateCombinerCount;
  console.log('Shading Rate Combiner Count: ' + shadingRateCombinerCount);
}

            

              
                Copy
              
            
          

مقادیر معمول برای `shadingRateCombinerCount` ۱ یا ۲ است. مقدار ۰ نشان می‌دهد که ترکیب‌کننده‌های نرخ سایه‌زنی پشتیبانی نمی‌شوند.

ج. پشتیبانی از تصویر نرخ سایه‌زنی

`shadingRateImage` یک بافت (texture) است که به شما امکان می‌دهد نرخ سایه‌زنی را بر اساس هر کاشی مشخص کنید. این اکستنشن یک ثابت، `gl.SHADING_RATE_IMAGE_OES`، را ارائه می‌دهد که هدف بافت برای تصویر نرخ سایه‌زنی را نشان می‌دهد. برای بررسی اینکه آیا `shadingRateImage` پشتیبانی می‌شود، محدودیت `MAX_FRAGMENT_UNIFORM_VECTORS` را استعلام کنید. اگر تعداد بردارهای یکنواخت فرگمنت موجود کافی باشد، درایور احتمالاً از ویژگی `shadingRateImage` پشتیبانی می‌کند. اگر حداکثر تعداد بسیار پایین باشد، این ویژگی احتمالاً پشتیبانی نمی‌شود.

در حالی که `shadingRateImage` روش استاندارد برای انجام سایه‌زنی پیکسلی درشت است، پیاده‌سازی‌های سخت‌افزاری VRS ممکن است آن را حذف کنند، و این باید در زمان اجرا تشخیص داده شود.

۳. مدیریت VRS پشتیبانی نشده

اگر اکستنشن `ANGLE_variable_rate_shading` در دسترس نیست، یا اگر نرخ‌های سایه‌زنی پشتیبانی شده محدود هستند، باید به طور ملایم به یک مسیر رندرینگ استاندارد بازگردید. این ممکن است شامل استفاده از نرخ سایه‌زنی بالاتر یا غیرفعال کردن کامل VRS باشد. بسیار مهم است که از اتکا به VRS در صورت عدم پشتیبانی صحیح آن خودداری کنید، زیرا این امر می‌تواند منجر به خطاهای رندرینگ یا مشکلات عملکردی شود.

مثال: تشخیص و استفاده از VRS در یک برنامه WebGL

در اینجا یک مثال کامل‌تر آورده شده است که نحوه تشخیص پشتیبانی VRS و استفاده از آن برای تنظیم نرخ سایه‌زنی در یک برنامه ساده WebGL را نشان می‌دهد:

            
// Get the WebGL2 context
const canvas = document.getElementById('glCanvas');
const gl = canvas.getContext('webgl2');

if (!gl) {
  console.error('WebGL 2 is not supported.');
  // Fallback to a non-VRS rendering path
  return;
}

// Get the ANGLE_variable_rate_shading extension
const vrsExtension = gl.getExtension('ANGLE_variable_rate_shading');

if (!vrsExtension) {
  console.log('Variable Rate Shading is not supported.');
  // Fallback to a non-VRS rendering path
  return;
}

// Check supported shading rates
const supportedShadingRates = vrsExtension.getSupportedShadingRates();

// Determine the lowest supported shading rate (other than 1x1)
let lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_1X1_PIXELS; // Default to 1x1
if (supportedShadingRates[1]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_1X2_PIXELS;
} else if (supportedShadingRates[2]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_2X1_PIXELS;
} else if (supportedShadingRates[3]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_2X2_PIXELS;
} else if (supportedShadingRates[4]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_4X2_PIXELS;
} else if (supportedShadingRates[5]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_2X4_PIXELS;
} else if (supportedShadingRates[6]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_4X4_PIXELS;
}

console.log('Lowest supported shading rate: ' + lowestShadingRate);

// Set the shading rate for a specific region (e.g., the entire screen)
// This would typically involve creating a shading rate image and binding it to the appropriate texture unit.
// The following is a simplified example that only sets the shading rate globally.

// Assuming you have a program and are about to draw...

function drawScene(){
  // Bind the appropriate framebuffer (if needed)

  // Call the extension function to set the shading rate (simplified example)
  // In a real application, this would involve setting up a shading rate image.
  //vrsExtension.setShadingRate(lowestShadingRate);  //This is a hypothetical function and will not work, it's here as an example of what it would do.

  // Draw your scene
  //gl.drawArrays(...);
}

// Render loop
function render() {
  // ... update your scene ...
  drawScene();
  requestAnimationFrame(render);
}

requestAnimationFrame(render);


            

              
                Copy
              
            
          

ملاحظات مهم:

• تصویر نرخ سایه‌زنی: مثال بالا یک تصویر ساده‌سازی شده را ارائه می‌دهد. در یک سناریوی دنیای واقعی، شما معمولاً یک تصویر نرخ سایه‌زنی (یک بافت) ایجاد کرده و آن را به یک واحد بافت متصل می‌کنید. این تصویر حاوی مقادیر نرخ سایه‌زنی برای هر کاشی روی صفحه خواهد بود. شما سپس از توابع مناسب WebGL برای نمونه‌برداری از این تصویر در شیدر فرگمنت خود و اعمال نرخ سایه‌زنی مربوطه استفاده خواهید کرد. جزئیات ایجاد و استفاده از تصویر نرخ سایه‌زنی فراتر از محدوده این پست وبلاگ مقدماتی است اما در مقالات آینده پوشش داده خواهد شد.
• اندازه‌گیری عملکرد: بسیار مهم است که تأثیر عملکرد VRS را در برنامه خود به دقت اندازه‌گیری کنید. در حالی که VRS اغلب می‌تواند عملکرد را بهبود بخشد، همچنین می‌تواند به دلیل نیاز به مدیریت تصویر نرخ سایه‌زنی و انجام محاسبات لازم در شیدر فرگمنت، سربار ایجاد کند. از ابزارهای تحلیل عملکرد WebGL برای تعیین نرخ‌های سایه‌زنی بهینه برای برنامه خود استفاده کنید.

بهترین شیوه‌ها برای استفاده از VRS در WebGL

برای بهره‌برداری حداکثری از VRS در برنامه‌های WebGL خود، بهترین شیوه‌های زیر را در نظر بگیرید:

• کیفیت بصری را در اولویت قرار دهید: هنگام انتخاب نرخ‌های سایه‌زنی، کیفیت بصری را بر عملکرد اولویت دهید. با نرخ سایه‌زنی بالاتر شروع کنید و به تدریج آن را کاهش دهید تا زمانی که متوجه افت قابل توجهی در کیفیت بصری شوید.
• از سایه‌زنی تطبیقی با محتوا استفاده کنید (در صورت وجود): اگر GPU شما از سایه‌زنی تطبیقی با محتوا پشتیبانی می‌کند، از آن برای تنظیم پویای نرخ سایه‌زنی بر اساس محتوای صحنه استفاده کنید. این می‌تواند دستاوردهای عملکردی بیشتری را بدون تأثیر محسوس بر کیفیت بصری فراهم کند.
• اندازه کاشی را در نظر بگیرید: اندازه کاشی بر دانه‌بندی کنترل نرخ سایه‌زنی تأثیر می‌گذارد. اندازه‌های کاشی کوچک‌تر امکان کنترل دقیق‌تری را فراهم می‌کنند، اما همچنین سربار مدیریت تصویر نرخ سایه‌زنی را افزایش می‌دهند. با اندازه‌های مختلف کاشی آزمایش کنید تا تعادل بهینه بین دقت و عملکرد را پیدا کنید.
• از VRS در ترکیب با سایر تکنیک‌های بهینه‌سازی استفاده کنید: VRS تنها یکی از ابزارهای موجود در جعبه ابزار بهینه‌سازی شماست. آن را در کنار تکنیک‌های دیگر مانند مقیاس‌بندی سطح جزئیات (LOD)، حذف انسداد (occlusion culling) و فشرده‌سازی بافت، برای دستیابی به حداکثر عملکرد استفاده کنید.
• روی دستگاه‌های متنوعی آزمایش کنید: برنامه خود را روی دستگاه‌های متنوعی آزمایش کنید تا اطمینان حاصل شود که VRS به درستی کار می‌کند و دستاوردهای عملکردی مورد انتظار را ارائه می‌دهد. GPUهای مختلف ممکن است قابلیت‌های VRS متفاوتی داشته باشند، بنابراین مهم است که روی نمونه‌ای نماینده از سخت‌افزارها آزمایش کنید.

نتیجه‌گیری

سایه‌زنی با نرخ متغیر یک تکنیک امیدوارکننده برای بهبود عملکرد رندرینگ در برنامه‌های WebGL است. با تشخیص دقیق پشتیبانی سخت‌افزاری VRS و پیروی از بهترین شیوه‌های ذکر شده در این پست وبلاگ، می‌توانید از VRS برای ایجاد تجربیات WebGL کارآمدتر و از نظر بصری جذاب‌تر بهره‌برداری کنید. با ادامه تکامل WebGL، می‌توانیم انتظار داشته باشیم که ویژگی‌ها و تکنیک‌های پیشرفته‌تری از VRS در دسترس قرار گیرند و توسعه‌دهندگان را برای ایجاد گرافیک‌های مبتنی بر وب خیره‌کننده و با عملکرد بالا، بیشتر توانمند سازند.

به یاد داشته باشید که همیشه کیفیت بصری را در اولویت قرار دهید و تأثیر عملکرد VRS را در برنامه خود به دقت اندازه‌گیری کنید. با انجام این کار، می‌توانید اطمینان حاصل کنید که از VRS به طور مؤثر برای دستیابی به بهترین نتایج ممکن استفاده می‌کنید.