WebGL Variable Rate Shading -määritys: Laadunvalvonnan käyttöönotto

Variable Rate Shading (VRS) on tehokas tekniikka, jonka avulla kehittäjät voivat valikoivasti vähentää varjostustiheyttä renderöidyn kuvan tietyillä alueilla. Tämä voi parantaa suorituskykyä merkittävästi, erityisesti mobiililaitteilla ja heikkotehoisemmilla laitteistoilla, ilman suurta heikennystä visuaaliseen laatuun. VRS:n oikeanlainen määrittäminen ja yhdenmukaisen visuaalisen laadun varmistaminen eri laitteistoilla ja selaimilla vaatii kuitenkin vankkaa laadunvalvontajärjestelmää. Tämä artikkeli tarjoaa kattavan oppaan tällaisen järjestelmän rakentamiseen WebGL:lle.

Variable Rate Shading -ominaisuuden ymmärtäminen WebGL:ssä

Ennen laadunvalvontaan syventymistä on tärkeää ymmärtää VRS:n perusteet WebGL:ssä. WebGL2 tarjoaa `EXT_fragment_shading_rate` -laajennuksen, jonka avulla kehittäjät voivat hallita yhden fragmenttivarjostimen kutsun käsittelemien pikselien määrää. Vähentämällä varjostustiheyttä alueilla, joilla yksityiskohdat ovat vähemmän kriittisiä (esim. kaukaiset kohteet, epätarkat alueet), voimme vähentää näytönohjaimen kuormitusta, mikä parantaa suorituskykyä ja vähentää virrankulutusta.

Keskeinen käsite tässä on, että kaikki pikselit eivät ole samanarvoisia. Jotkut pikselit vaativat tarkempaa varjostusta kuin toiset. VRS antaa meille mahdollisuuden kohdentaa näytönohjaimen resursseja älykkäästi sinne, missä niillä on eniten merkitystä, mikä johtaa tehokkaampaan renderöintiputkeen.

Keskeiset käsitteet ja terminologia

• Fragment Shading Rate (Fragmentin varjostustiheys): Yhden fragmenttivarjostimen kutsun käsittelemien pikselien määrä. Matalampi tiheys tarkoittaa vähemmän varjostinkutsuja.
• Shading Rate Combiner Operations (Varjostustiheyden yhdistämisoperaatiot): Operaatiot, jotka yhdistävät eri lähteistä (esim. primitiivi, tekstuuri, näkymäportti) tulevia varjostustiheyksiä.
• Fragment Shading Rate Attachment (Fragmentin varjostustiheysliite): Tekstuuriliite, joka tallentaa pikselikohtaista tietoa varjostustiheydestä.
• Coarse Pixel (Karkea pikseli): Pikselilohko, jonka yksi fragmenttivarjostimen kutsu varjostaa, kun käytetään alennettua varjostustiheyttä.

Laitteistovaatimukset

VRS-tuki vaihtelee merkittävästi eri laitteistojen ja selainten välillä. Kaikki näytönohjaimet eivät tue VRS:ää, ja niillä, jotka tukevat, voi olla erilaisia ominaisuuksia ja rajoituksia. Siksi laadunvalvontajärjestelmän pystyttämisen ensimmäinen kriittinen vaihe on ymmärtää laitteistokenttää.

Näytönohjaimen tuki

Sinun on tunnistettava, mitkä näytönohjaimet tukevat `EXT_fragment_shading_rate` -laajennusta. Tämä voidaan tehdä WebGL-laajennuskyselyillä:

            const ext = gl.getExtension('EXT_fragment_shading_rate');
if (ext) {
  console.log('VRS is supported!');
} else {
  console.warn('VRS is not supported on this device.');
}

            

              
                Copy
              
            
          

Pelkkä laajennustuen tarkistaminen ei kuitenkaan riitä. Sinun on myös otettava huomioon:

• Maximum Shading Rate (Suurin varjostustiheys): Näytönohjaimen tukema suurin varjostustiheys. Jotkut näytönohjaimet saattavat tukea vain 1x2 tai 2x1, kun taas toiset tukevat 2x2 tai jopa 4x4.
• Shading Rate Granularity (Varjostustiheyden rakeisuus): Karkean pikselilohkon koko. Joillakin näytönohjaimilla voi olla vähintään 2x2 lohkokoko, vaikka pyytäisit pienempää tiheyttä.
• Performance Characteristics (Suorituskykyominaisuudet): Eri varjostustiheyksien suorituskykyvaikutus voi vaihdella merkittävästi näytönohjaimen arkkitehtuurin ja fragmenttivarjostimen monimutkaisuuden mukaan.

Selaintuki

Myös selaintuki `EXT_fragment_shading_rate` -laajennukselle on ratkaisevan tärkeää. Tarkista selainten yhteensopivuustaulukot ja harkitse ominaisuuksien tunnistamisen käyttöä varmistaaksesi, että VRS on käytettävissä ennen sen käyttöönottoa. Eri selaimet voivat toteuttaa laajennuksen vaihtelevalla optimointitasolla, mikä voi vaikuttaa suorituskykyyn ja visuaaliseen laatuun.

Esimerkki: Kuvittele tilanne, jossa kehität WebGL-peliä, joka kohdistuu sekä työpöytä- että mobiilialustoille. Työpöytänäytönohjaimet tukevat todennäköisemmin korkeampia varjostustiheyksiä ja hienompaa rakeisuutta kuin mobiilinäytönohjaimet. Laadunvalvontajärjestelmäsi on otettava nämä erot huomioon ja varmistettava, että peli näyttää ja toimii hyvin molemmilla laitetyypeillä.

Laadunvalvontaputken rakentaminen

Vankka laadunvalvontaputki on välttämätön sen varmistamiseksi, että VRS on toteutettu oikein ja ettei se aiheuta ei-toivottuja visuaalisia artefakteja. Putken tulisi sisältää seuraavat komponentit:

1. Testinäkymien kehittäminen

Luo sarja testinäkymiä, jotka on suunniteltu erityisesti VRS:ää varten. Näiden näkymien tulisi sisältää:

• Näkymiä, joissa on vaihtelevia yksityiskohtia: Sisällytä näkymiä, joissa on korkeataajuisia tekstuureja, monimutkaista geometriaa ja alueita, joissa on pehmeitä liukuvärejä.
• Näkymiä erilaisissa valaistusolosuhteissa: Testaa VRS:ää erilaisissa valaistusskenaarioissa, mukaan lukien kirkas auringonvalo, varjot ja peiliheijastukset.
• Näkymiä, joissa on liikettä: Sisällytä näkymiä, joissa on liikkuvia kohteita ja kameran liikettä, jotta voidaan arvioida VRS:n ajallista vakautta.

Nämä testinäkymät tulisi suunnitella paljastamaan VRS:ään liittyviä mahdollisia ongelmia, kuten:

• Aliasing (Sahalaitaisuus): Alennetut varjostustiheydet voivat pahentaa sahalaitaisuusartefakteja, erityisesti reunojen ja korkean kontrastin alueilla.
• Shading Artifacts (Varjostusartefaktit): Äkilliset muutokset varjostustiheydessä voivat aiheuttaa näkyviä epäjatkuvuuksia renderöidyssä kuvassa.
• Performance Issues (Suorituskykyongelmat): Väärin määritetty VRS voi itse asiassa heikentää suorituskykyä sen parantamisen sijaan.

Esimerkki: Ajopelin testinäkymä voisi sisältää radan yksityiskohtaisilla tekstuureilla, peiliheijastuksia autoissa ja liike-epäterävyyttä. VRS-määritys tulisi testata eri nopeuksilla ja erilaisissa sääolosuhteissa varmistaakseen, että visuaalinen laatu pysyy hyväksyttävänä.

2. Automaattinen testaus

Automaattinen testaus on ratkaisevan tärkeää yhdenmukaisen visuaalisen laadun varmistamiseksi eri laitteistoilla ja selaimilla. Tämä tarkoittaa testinäkymien ajamista useilla eri laitteilla ja renderöidyn tuloksen automaattista vertaamista vertailukuviin.

Näin rakennat automaattisen testausjärjestelmän:

• Tallenna vertailukuvat: Renderöi testinäkymät tunnetusti toimivalla VRS-määrityksellä (tai ilman VRS:ää) vertailulaitteella ja tallenna tulos vertailukuviksi.
• Aja testit kohdelaitteilla: Aja testinäkymät kohdelaitteilla testattavalla VRS-määrityksellä.
• Kuvanvertailu: Vertaa renderöityä tulosta vertailukuviin käyttämällä kuvanvertailualgoritmia.
• Raportointi: Luo raportti, joka osoittaa, onnistuiko testi vai epäonnistuiko se, ja antaa tietoja havaituista visuaalisista eroista.

Kuvanvertailualgoritmit:

Automaattisessa testauksessa voidaan käyttää useita kuvanvertailualgoritmeja, mukaan lukien:

• Pixel Difference (Pikseliero): Vertaa kummankin kuvan jokaisen pikselin väriarvoja. Tämä on yksinkertaisin algoritmi, mutta se on myös herkin pienille vaihteluille.
• Structural Similarity Index (SSIM): Kehittyneempi algoritmi, joka ottaa huomioon kahden kuvan rakenteellisen samankaltaisuuden. SSIM on vähemmän herkkä pienille vaihteluille ja sitä pidetään yleensä parempana havainnollisen samankaltaisuuden mittarina.
• Perceptual Hash (pHash): Laskee hajautusarvon kullekin kuvalle ja vertaa hajautusarvoja. pHash on kestävä pienille vaihteluille ja voi havaita merkittäviä eroja, vaikka kuvat olisivat hieman vääristyneitä.

Esimerkki: Voisit käyttää headless-selainta, kuten Puppeteer tai Playwright, testausprosessin automatisointiin. Näiden työkalujen avulla voit ohjelmallisesti käynnistää selaimen, navigoida WebGL-sovellukseesi, ajaa testinäkymiä ja tallentaa renderöidyn tuloksen. Voit sitten käyttää JavaScript-kirjastoa, kuten `pixelmatch` tai `ssim.js`, vertaillaksesi renderöityä tulosta vertailukuviin.

            // Example using Puppeteer and pixelmatch
const puppeteer = require('puppeteer');
const pixelmatch = require('pixelmatch');
const fs = require('fs');

async function runTest(url, referenceImage, outputImage) {
  const browser = await puppeteer.launch();
  const page = await browser.newPage();
  await page.goto(url);
  await page.waitForTimeout(5000); // Allow time for rendering
  await page.screenshot({ path: outputImage });
  await browser.close();

  const img1 = fs.readFileSync(referenceImage);
  const img2 = fs.readFileSync(outputImage);
  const width = 1024; // Replace with actual width
  const height = 768; // Replace with actual height
  const diff = new Uint8Array(width * height * 4);

  const numDiffPixels = pixelmatch(img1, img2, diff, width, height, { threshold: 0.1 });

  fs.writeFileSync('diff.png', Buffer.from(diff));

  console.log('Number of different pixels:', numDiffPixels);

  return numDiffPixels === 0; // Test passes if no pixels are different
}

            

              
                Copy
              
            
          

3. Visuaalinen tarkastus

Vaikka automaattinen testaus on välttämätöntä, sen ei pitäisi olla ainoa laadunvalvonnan muoto. Kokeneiden grafiikkainsinöörien suorittama visuaalinen tarkastus on myös ratkaisevan tärkeää hienovaraisten visuaalisten artefaktien tunnistamiseksi, joita automaattiset testit eivät välttämättä havaitse. Tämä on erityisen tärkeää arvioitaessa VRS:n havainnollista vaikutusta.

Visuaalisen tarkastuksen aikana insinöörien tulisi etsiä:

• Aliasing-artefaktit: Sahalaitaiset reunat, välkkyvät tekstuurit.
• Varjostuksen epäjatkuvuudet: Näkyvät saumat tai portaat varjostuksessa.
• Ajallinen epävakaus: Välkkyvät tai ponnahtavat artefaktit liikkeen aikana.
• Yleinen visuaalinen laatu: Subjektiivinen arvio visuaalisesta tarkkuudesta verrattuna vertailukuvaan tai ei-VRS-toteutukseen.

Esimerkki: Grafiikkainsinööri voisi tarkastaa visuaalisesti näkymän, jossa on heijastava pinta, etsiäkseen mahdollisia VRS:n aiheuttamia artefakteja peiliheijastuksissa. Hän voisi myös verrata näkymän suorituskykyä VRS:n kanssa ja ilman sitä varmistaakseen, että suorituskykyhyödyt ovat mahdollisten visuaalisten kompromissien arvoisia.

4. Suorituskyvyn seuranta

VRS:n tarkoituksena on parantaa suorituskykyä, joten on ratkaisevan tärkeää seurata suorituskykymittareita varmistaakseen, että sillä on todella toivottu vaikutus. Käytä WebGL-profilointityökaluja ja selaimen kehittäjätyökaluja mittaamaan:

• Frame Rate (Kuvataajuus): Mittaa sekunnissa renderöityjen kuvien määrää (FPS).
• GPU Time (GPU-aika): Mittaa GPU:n käyttämää aikaa kunkin kuvan renderöintiin.
• Shader Compilation Time (Varjostimen kääntöaika): Seuraa varjostimen kääntöaikoja, sillä VRS-määritykset saattavat vaatia erilaisia varjostinvariantteja.

Vertaa suorituskykymittareita VRS:n kanssa ja ilman sitä suorituskykyhyötyjen kvantifioimiseksi. Seuraa myös suorituskykyä eri laitteistoilla ja selaimilla tunnistaaksesi mahdolliset suorituskyvyn pullonkaulat tai epäjohdonmukaisuudet.

Esimerkki: Voisit käyttää Chrome DevTools -työkalujen Performance-välilehteä tallentaaksesi WebGL-sovelluksesi suorituskykyprofiilin VRS:n kanssa ja ilman sitä. Tämä antaa sinun tunnistaa mahdolliset suorituskyvyn pullonkaulat ja mitata VRS:n vaikutusta GPU-aikaan ja kuvataajuuteen.

5. Käyttäjäpalaute

Käyttäjiltä kerätty palaute voi antaa arvokasta tietoa VRS:n todellisesta vaikutuksesta. Tämä voidaan tehdä betatestausohjelmien, kyselyiden tai käyttäjäarvostelujen ja foorumikeskustelujen seuraamisen kautta.

Pyydä käyttäjiä antamaan palautetta seuraavista asioista:

• Visuaalinen laatu: Huomaavatko he visuaalisia artefakteja tai heikkenemistä visuaalisessa laadussa?
• Suorituskyky: Kokevatko he suorituskyvyn parannuksia tai hidastumisia?
• Yleinen kokemus: Ovatko he tyytyväisiä sovelluksen yleiseen visuaaliseen kokemukseen ja suorituskykyyn?

Käytä tätä palautetta VRS-määrityksesi hiomiseen ja sellaisten ongelmien tunnistamiseen, joita ei ehkä ole havaittu automaattisen testauksen tai visuaalisen tarkastuksen aikana.

VRS-määritysstrategiat

Optimaalinen VRS-määritys riippuu tietystä sovelluksesta ja kohdelaitteistosta. Tässä on joitakin yleisiä strategioita:

Sisältötietoinen varjostus

Säädä varjostustiheyttä dynaamisesti renderöitävän sisällön perusteella. Esimerkiksi, vähennä varjostustiheyttä alueilla, joissa on vähän yksityiskohtia, kuten kaukaisissa kohteissa tai epätarkoissa taustoissa, ja lisää varjostustiheyttä alueilla, joissa on paljon yksityiskohtia, kuten etualan kohteissa tai terävien reunojen alueilla.

Tämä voidaan saavuttaa useilla tekniikoilla, kuten:

• Syvyysperusteinen VRS: Vähennä varjostustiheyttä kohteen etäisyyden perusteella kamerasta.
• Liikeperusteinen VRS: Vähennä varjostustiheyttä alueilla, joissa on paljon liikettä, koska ihmissilmä on vähemmän herkkä yksityiskohdille liikkuvissa kohteissa.
• Tekstuuripohjainen VRS: Vähennä varjostustiheyttä alueilla, joissa on matalataajuisia tekstuureja.

Suorituskykyyn perustuva varjostus

Säädä varjostustiheyttä sovelluksen nykyisen suorituskyvyn perusteella. Jos kuvataajuus putoaa tietyn kynnyksen alle, vähennä varjostustiheyttä parantaaksesi suorituskykyä. Vastaavasti, jos kuvataajuus on riittävän korkea, lisää varjostustiheyttä parantaaksesi visuaalista laatua.

Tämä voidaan toteuttaa käyttämällä takaisinkytkentäsilmukkaa, joka seuraa kuvataajuutta ja säätää dynaamisesti VRS-määritystä.

Porrastettu varjostus

Luo erilaisia VRS-määrityksiä eri teholuokkien laitteistoille. Heikkotehoisemmat laitteistot voivat käyttää aggressiivisempia varjostustiheyksiä parantaakseen suorituskykyä, kun taas tehokkaammat laitteistot voivat käyttää vähemmän aggressiivisia varjostustiheyksiä maksimoidakseen visuaalisen laadun.

Tämä edellyttää kohdelaitteiden laitteisto-ominaisuuksien ja suorituskykyominaisuuksien tunnistamista ja räätälöityjen VRS-määritysten luomista kullekin luokalle.

Parhaat käytännöt

Tässä on joitakin parhaita käytäntöjä VRS:n toteuttamiseksi WebGL:ssä:

• Aloita varovaisesti: Aloita käyttämällä pieniä vähennyksiä varjostustiheydessä ja lisää vähennystä vähitellen, kunnes saavutat halutut suorituskykyhyödyt.
• Priorisoi visuaalinen laatu: Aseta aina visuaalinen laatu suorituskyvyn edelle. Vältä aggressiivisten varjostustiheyksien käyttöä, jotka aiheuttavat havaittavia visuaalisia artefakteja.
• Testaa perusteellisesti: Testaa VRS-määrityksesi useilla eri laitteistoilla ja selaimilla varmistaaksesi yhdenmukaisen visuaalisen laadun ja suorituskyvyn.
• Käytä visuaalisia virheenkorjaustyökaluja: Hyödynnä visuaalisia virheenkorjaustyökaluja varjostustiheyksien visualisoimiseksi ja niiden alueiden tunnistamiseksi, joissa VRS aiheuttaa artefakteja.
• Harkitse käyttäjän mieltymyksiä: Anna käyttäjien säätää VRS-asetuksia omien mieltymystensä ja laitteisto-ominaisuuksiensa mukaan.

Yhteenveto

Variable Rate Shading on tehokas työkalu suorituskyvyn parantamiseen WebGL-sovelluksissa. Se vaatii kuitenkin huolellista määrittämistä ja vankkaa laadunvalvontajärjestelmää varmistaakseen, ettei se aiheuta ei-toivottuja visuaalisia artefakteja. Noudattamalla tässä artikkelissa esitettyjä ohjeita ja parhaita käytäntöjä voit tehokkaasti toteuttaa VRS:n WebGL-sovelluksissasi ja saavuttaa optimaalisen suorituskyvyn ja visuaalisen tarkkuuden laajalla valikoimalla laitteistoja ja selaimia.

Muista, että onnistuneen VRS-toteutuksen avain on jatkuva testaus, visuaalinen tarkastus ja käyttäjäpalaute. Seuraamalla jatkuvasti VRS-määrityksesi suorituskykyä ja visuaalista laatua voit varmistaa, että se tarjoaa parhaan mahdollisen kokemuksen käyttäjillesi.

Lisälukemista

• WebGL EXT_fragment_shading_rate -laajennuksen spesifikaatio
• Näytönohjainvalmistajien dokumentaatio Variable Rate Shading -ominaisuudesta
• Artikkelit ja esitykset VRS-tekniikoista