Libérer le pipeline graphique : une exploration approfondie des Geometry Shaders de WebGL

Dans le monde de l'infographie 3D en temps réel, les développeurs cherchent constamment à mieux contrôler le processus de rendu. Pendant des années, le pipeline graphique standard était un chemin relativement fixe : des sommets en entrée, des pixels en sortie. L'introduction des shaders programmables a révolutionné cela, mais pendant longtemps, la structure fondamentale de la géométrie est restée immuable entre les étapes de sommet et de fragment. WebGL 2.0, basé sur OpenGL ES 3.0, a changé cela en introduisant une étape optionnelle puissante : le Geometry Shader (shader de géométrie).

Les Geometry Shaders (GS) offrent aux développeurs une capacité sans précédent de manipuler la géométrie directement sur le GPU. Ils peuvent créer de nouvelles primitives, détruire celles qui existent ou changer complètement leur type. Imaginez transformer un simple point en un quadrilatère complet, extruder des ailettes à partir d'un triangle ou rendre les six faces d'une cubemap en un seul appel de dessin. C'est la puissance qu'un Geometry Shader apporte à vos applications 3D basées sur un navigateur.

Ce guide complet vous plongera au cœur des Geometry Shaders de WebGL. Nous explorerons leur place dans le pipeline, leurs concepts fondamentaux, leur implémentation pratique, leurs cas d'utilisation puissants et les considérations de performance critiques pour un public de développeurs mondial.

Le pipeline graphique moderne : la place des Geometry Shaders

Pour comprendre le rôle unique des Geometry Shaders, revoyons d'abord le pipeline graphique programmable moderne tel qu'il existe dans WebGL 2.0 :

1. Shader de sommet (Vertex Shader) : C'est la première étape programmable. Il s'exécute une fois pour chaque sommet de vos données d'entrée. Sa tâche principale est de traiter les attributs des sommets (comme la position, les normales et les coordonnées de texture) et de transformer la position du sommet de l'espace modèle à l'espace de découpage (clip space) en définissant la variable `gl_Position`. Il ne peut ni créer ni détruire de sommets ; son rapport entrée/sortie est toujours de 1:1.
2. (Shaders de tessellation - Non disponibles dans WebGL 2.0)
3. Shader de géométrie (Geometry Shader) (Optionnel) : C'est notre sujet principal. Le GS s'exécute après le Vertex Shader. Contrairement à son prédécesseur, il opère sur une primitive complète (un point, une ligne ou un triangle) à la fois, ainsi que sur ses sommets adjacents si demandé. Son super-pouvoir est sa capacité à changer la quantité et le type de géométrie. Il peut générer zéro, une ou plusieurs primitives pour chaque primitive d'entrée.
4. Transform Feedback (Optionnel) : Un mode spécial qui vous permet de capturer la sortie du Vertex ou du Geometry Shader dans un tampon pour une utilisation ultérieure, en contournant le reste du pipeline. Il est souvent utilisé pour les simulations de particules basées sur le GPU.
5. Rastérisation : Une étape à fonction fixe (non programmable). Elle prend les primitives générées par le Geometry Shader (ou le Vertex Shader si le GS est absent) et détermine quels pixels de l'écran sont couverts par celles-ci. Elle génère ensuite des fragments (pixels potentiels) pour ces zones couvertes.
6. Shader de fragment (Fragment Shader) : C'est la dernière étape programmable. Il s'exécute une fois pour chaque fragment généré par le rastériseur. Sa tâche principale est de déterminer la couleur finale du pixel, ce qu'il fait en écrivant dans une variable comme `gl_FragColor` ou une variable `out` définie par l'utilisateur. C'est ici que l'éclairage, le texturage et d'autres effets par pixel sont calculés.
7. Opérations par échantillon (Per-Sample Operations) : La dernière étape à fonction fixe où le test de profondeur, le test de stencil et le mélange (blending) ont lieu avant que la couleur finale du pixel ne soit écrite dans le framebuffer.

La position stratégique du Geometry Shader entre le traitement des sommets et la rastérisation est ce qui le rend si puissant. Il a accès à tous les sommets d'une primitive, ce qui lui permet d'effectuer des calculs impossibles dans un Vertex Shader, qui ne voit qu'un seul sommet à la fois.

Concepts fondamentaux des Geometry Shaders

Pour maîtriser les Geometry Shaders, vous devez comprendre leur syntaxe et leur modèle d'exécution uniques. Ils sont fondamentalement différents des shaders de sommet et de fragment.

Version de GLSL

Les Geometry Shaders sont une fonctionnalité de WebGL 2.0, ce qui signifie que votre code GLSL doit commencer par la directive de version pour OpenGL ES 3.0 :

#version 300 es

Primitives d'entrée et de sortie

La partie la plus cruciale d'un GS est de définir ses types de primitives d'entrée et de sortie à l'aide des qualificateurs `layout`. Cela indique au GPU comment interpréter les sommets entrants et quel type de primitives vous avez l'intention de construire.

• Layouts d'entrée :
  • points : Reçoit des points individuels.
  • lines : Reçoit des segments de ligne à 2 sommets.
  • triangles : Reçoit des triangles à 3 sommets.
  • lines_adjacency : Reçoit une ligne avec ses deux sommets adjacents (4 au total).
  • triangles_adjacency : Reçoit un triangle avec ses trois sommets adjacents (6 au total). L'information d'adjacence est utile pour des effets comme la génération de contours de silhouettes.
• Layouts de sortie :
  • points : Génère des points individuels.
  • line_strip : Génère une série de lignes connectées.
  • triangle_strip : Génère une série de triangles connectés, ce qui est souvent plus efficace que de générer des triangles individuels.

Vous devez également spécifier le nombre maximal de sommets que le shader générera pour une seule primitive d'entrée en utilisant `max_vertices`. C'est une limite stricte que le GPU utilise pour l'allocation des ressources. Dépasser cette limite à l'exécution n'est pas autorisé.

Une déclaration de GS typique ressemble à ceci :

layout (triangles) in;
layout (triangle_strip, max_vertices = 4) out;

Ce shader prend des triangles en entrée et promet de générer une bande de triangles (triangle strip) avec, au maximum, 4 sommets pour chaque triangle d'entrée.

Modèle d'exécution et fonctions intégrées

La fonction `main()` d'un Geometry Shader est invoquée une fois par primitive d'entrée, et non par sommet.

• Données d'entrée : Les données provenant du Vertex Shader arrivent sous forme de tableau. La variable intégrée `gl_in` est un tableau de structures contenant les sorties du shader de sommet (comme `gl_Position`) pour chaque sommet de la primitive d'entrée. Vous y accédez comme `gl_in[0].gl_Position`, `gl_in[1].gl_Position`, etc.
• Génération de la sortie : Vous ne retournez pas simplement une valeur. Au lieu de cela, vous construisez de nouvelles primitives sommet par sommet en utilisant deux fonctions clés :
  • EmitVertex() : Cette fonction prend les valeurs actuelles de toutes vos variables `out` (y compris `gl_Position`) et les ajoute comme un nouveau sommet à la bande de primitive de sortie actuelle.
  • EndPrimitive() : Cette fonction signale que vous avez terminé la construction de la primitive de sortie actuelle (par exemple, un point, une ligne dans une bande ou un triangle dans une bande). Après avoir appelé cette fonction, vous pouvez commencer à émettre des sommets pour une nouvelle primitive.

Le processus est simple : définissez vos variables de sortie, appelez `EmitVertex()`, répétez pour tous les sommets de la nouvelle primitive, puis appelez `EndPrimitive()`.

Mise en place d'un Geometry Shader en JavaScript

L'intégration d'un Geometry Shader dans votre application WebGL 2.0 implique quelques étapes supplémentaires dans votre processus de compilation et d'édition des liens (linking) des shaders. Le processus est très similaire à la mise en place des shaders de sommet et de fragment.

1. Obtenir un contexte WebGL 2.0 : Assurez-vous de demander un contexte `"webgl2"` à votre élément canvas. Si cela échoue, le navigateur ne prend pas en charge WebGL 2.0.
2. Créer le Shader : Utilisez `gl.createShader()`, mais cette fois passez `gl.GEOMETRY_SHADER` comme type.

   const geometryShader = gl.createShader(gl.GEOMETRY_SHADER);

3. Fournir la source et compiler : Tout comme avec les autres shaders, utilisez `gl.shaderSource()` et `gl.compileShader()`.

   gl.shaderSource(geometryShader, geometryShaderSource);
gl.compileShader(geometryShader);
   Vérifiez les erreurs de compilation en utilisant `gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS)`.

4. Attacher et lier : Attachez le geometry shader compilé à votre programme de shaders aux côtés des shaders de sommet et de fragment avant l'édition des liens.

   const program = gl.createProgram();
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, geometryShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);
gl.linkProgram(program);
   Vérifiez les erreurs de liaison en utilisant `gl.getProgramParameter(program, gl.LINK_STATUS)`.

C'est tout ! Le reste de votre code WebGL pour la configuration des tampons, des attributs et des uniforms, ainsi que l'appel de dessin final (`gl.drawArrays` ou `gl.drawElements`) reste le même. Le GPU invoque automatiquement le geometry shader s'il fait partie du programme lié.

Exemple pratique 1 : Le shader passe-plat (Pass-Through)

Le "hello world" des Geometry Shaders est le shader passe-plat. Il prend une primitive en entrée et génère exactement la même primitive sans aucune modification. C'est un excellent moyen de vérifier que votre configuration fonctionne correctement et de comprendre le flux de données de base.

Vertex Shader

Le vertex shader est minimal. Il transforme simplement le sommet et transmet sa position.

            #version 300 es

layout (location=0) in vec3 a_position;

uniform mat4 u_modelViewProjection;

void main() {
    gl_Position = u_modelViewProjection * vec4(a_position, 1.0);
}
            

              
                Copy
              
            
          

Geometry Shader

Ici, nous prenons un triangle en entrée et nous émettons le même triangle.

            #version 300 es

// Ce shader prend des triangles en entrée
layout (triangles) in;

// Il générera une bande de triangles avec un maximum de 3 sommets
layout (triangle_strip, max_vertices = 3) out;

void main() {
    // L'entrée 'gl_in' est un tableau. Pour un triangle, il a 3 éléments.
    // gl_in[0] contient la sortie du vertex shader pour le premier sommet.
    // Nous parcourons simplement les sommets d'entrée et les émettons.

    for (int i = 0; i < gl_in.length(); i++) {
        // Copier la position du sommet d'entrée vers la sortie
        gl_Position = gl_in[i].gl_Position;

        // Émettre le sommet
        EmitVertex();
    }

    // Nous avons terminé avec cette primitive (un seul triangle)
    EndPrimitive();
}
            

              
                Copy
              
            
          

Fragment Shader

Le fragment shader génère simplement une couleur unie.

            #version 300 es
precision mediump float;

out vec4 outColor;

void main() {
    outColor = vec4(0.2, 0.6, 1.0, 1.0); // Une belle couleur bleue
}
            

              
                Copy
              
            
          

Lorsque vous exécutez ceci, vous verrez votre géométrie originale rendue exactement comme elle le serait sans le Geometry Shader. Cela confirme que les données circulent correctement à travers la nouvelle étape.

Exemple pratique 2 : Génération de primitives - Des points aux quads

C'est l'une des utilisations les plus courantes et puissantes d'un Geometry Shader : l'amplification. Nous prendrons un seul point en entrée et générerons un quadrilatère (quad) à partir de celui-ci. C'est la base des systèmes de particules basés sur le GPU où chaque particule est un billboard faisant face à la caméra.

Supposons que notre entrée soit un ensemble de points dessinés avec `gl.drawArrays(gl.POINTS, ...)`.

Vertex Shader

Le vertex shader est toujours simple. Il calcule la position du point dans l'espace de découpage. Nous transmettons également la position originale dans l'espace monde, ce qui peut être utile.

            #version 300 es

layout (location=0) in vec3 a_position;

uniform mat4 u_modelView;
uniform mat4 u_projection;

out vec3 v_worldPosition;

void main() {
    v_worldPosition = a_position;
    gl_Position = u_projection * u_modelView * vec4(a_position, 1.0);
}
            

              
                Copy
              
            
          

Geometry Shader

C'est ici que la magie opère. Nous prenons un seul point et construisons un quad autour de lui.

            #version 300 es

// Ce shader prend des points en entrée
layout (points) in;

// Il générera une bande de triangles avec 4 sommets pour former un quad
layout (triangle_strip, max_vertices = 4) out;

// Uniforms pour contrôler la taille et l'orientation du quad
uniform mat4 u_projection; // Pour transformer nos décalages en espace de découpage
uniform float u_size;

// Nous pouvons aussi passer des données au fragment shader
out vec2 v_uv;

void main() {
    // La position d'entrée du point (centre de notre quad)
    vec4 centerPosition = gl_in[0].gl_Position;

    // Définir les quatre coins du quad dans l'espace écran
    // Nous les créons en ajoutant des décalages à la position centrale.
    // La composante 'w' est utilisée pour que les décalages aient la taille d'un pixel.
    float halfSize = u_size * 0.5;
    vec4 offsets[4];
    offsets[0] = vec4(-halfSize, -halfSize, 0.0, 0.0);
    offsets[1] = vec4( halfSize, -halfSize, 0.0, 0.0);
    offsets[2] = vec4(-halfSize,  halfSize, 0.0, 0.0);
    offsets[3] = vec4( halfSize,  halfSize, 0.0, 0.0);

    // Définir les coordonnées UV pour le texturage
    vec2 uvs[4];
    uvs[0] = vec2(0.0, 0.0);
    uvs[1] = vec2(1.0, 0.0);
    uvs[2] = vec2(0.0, 1.0);
    uvs[3] = vec2(1.0, 1.0);

    // Pour que le quad fasse toujours face à la caméra (billboarding), nous devrions
    // normalement obtenir les vecteurs droite et haut de la caméra à partir de la matrice de vue
    // et les utiliser pour construire les décalages dans l'espace monde avant la projection.
    // Pour simplifier ici, nous créons un quad aligné sur l'écran.

    // Émettre les quatre sommets du quad
    gl_Position = centerPosition + offsets[0];
    v_uv = uvs[0];
    EmitVertex();

    gl_Position = centerPosition + offsets[1];
    v_uv = uvs[1];
    EmitVertex();

    gl_Position = centerPosition + offsets[2];
    v_uv = uvs[2];
    EmitVertex();

    gl_Position = centerPosition + offsets[3];
    v_uv = uvs[3];
    EmitVertex();

    // Terminer la primitive (le quad)
    EndPrimitive();
}
            

              
                Copy
              
            
          

Fragment Shader

Le fragment shader peut maintenant utiliser les coordonnées UV générées par le GS pour appliquer une texture.

            #version 300 es
precision mediump float;

in vec2 v_uv;
uniform sampler2D u_texture;
out vec4 outColor;

void main() {
    outColor = texture(u_texture, v_uv);
}
            

              
                Copy
              
            
          

Avec cette configuration, vous pouvez dessiner des milliers de particules en passant simplement un tampon de points 3D au GPU. Le Geometry Shader se charge de la tâche complexe de développer chaque point en un quad texturé, réduisant considérablement la quantité de données que vous devez envoyer depuis le CPU.

Exemple pratique 3 : Transformation de primitives - Maillages éclatés

Les Geometry Shaders ne servent pas seulement à créer de la nouvelle géométrie ; ils sont aussi excellents pour modifier les primitives existantes. Un effet classique est le "maillage éclaté", où chaque triangle d'un modèle est poussé vers l'extérieur depuis le centre.

Vertex Shader

Le vertex shader est à nouveau très simple. Nous avons juste besoin de transmettre la position et la normale du sommet au Geometry Shader.

            #version 300 es

layout (location=0) in vec3 a_position;
layout (location=1) in vec3 a_normal;

// Pas besoin d'uniforms ici car le GS fera la transformation

out vec3 v_position;
out vec3 v_normal;

void main() {
    // Passer les attributs directement au Geometry Shader
    v_position = a_position;
    v_normal = a_normal;
    gl_Position = vec4(a_position, 1.0); // Temporaire, le GS l'écrasera
}
            

              
                Copy
              
            
          

Geometry Shader

Ici, nous traitons un triangle entier à la fois. Nous calculons sa normale géométrique, puis nous poussons ses sommets vers l'extérieur le long de cette normale.

            #version 300 es

layout (triangles) in;
layout (triangle_strip, max_vertices = 3) out;

uniform mat4 u_modelViewProjection;
uniform float u_explodeAmount;

in vec3 v_position[]; // L'entrée est maintenant un tableau
in vec3 v_normal[];

out vec3 f_normal; // Passer la normale au fragment shader pour l'éclairage

void main() {
    // Obtenir les positions des trois sommets du triangle d'entrée
    vec3 p0 = v_position[0];
    vec3 p1 = v_position[1];
    vec3 p2 = v_position[2];

    // Calculer la normale de la face (sans utiliser les normales des sommets)
    vec3 v01 = p1 - p0;
    vec3 v02 = p2 - p0;
    vec3 faceNormal = normalize(cross(v01, v02));

    // --- Émettre le premier sommet ---
    // Le déplacer le long de la normale par la quantité d'explosion
    vec4 newPos0 = u_modelViewProjection * vec4(p0 + faceNormal * u_explodeAmount, 1.0);
    gl_Position = newPos0;
    f_normal = v_normal[0]; // Utiliser la normale de sommet originale pour un éclairage lisse
    EmitVertex();

    // --- Émettre le deuxième sommet ---
    vec4 newPos1 = u_modelViewProjection * vec4(p1 + faceNormal * u_explodeAmount, 1.0);
    gl_Position = newPos1;
    f_normal = v_normal[1];
    EmitVertex();

    // --- Émettre le troisième sommet ---
    vec4 newPos2 = u_modelViewProjection * vec4(p2 + faceNormal * u_explodeAmount, 1.0);
    gl_Position = newPos2;
    f_normal = v_normal[2];
    EmitVertex();

    EndPrimitive();
}
            

              
                Copy
              
            
          

En contrôlant l'uniform `u_explodeAmount` dans votre code JavaScript (par exemple, avec un curseur ou en fonction du temps), vous pouvez créer un effet dynamique et visuellement impressionnant où les faces du modèle s'écartent les unes des autres. Cela démontre la capacité du GS à effectuer des calculs sur une primitive entière pour influencer sa forme finale.

Cas d'utilisation et techniques avancés

Au-delà de ces exemples de base, les Geometry Shaders débloquent un éventail de techniques de rendu avancées.

• Géométrie procédurale : Générez de l'herbe, de la fourrure ou des ailettes à la volée. Pour chaque triangle d'entrée sur un modèle de terrain, vous pourriez générer plusieurs quads fins et hauts pour simuler des brins d'herbe.
• Visualisation des normales et des tangentes : Un outil de débogage fantastique. Pour chaque sommet, vous pouvez émettre un petit segment de ligne orienté le long de sa normale, de sa tangente ou de sa bitangente, vous aidant à visualiser les propriétés de surface du modèle.
• Rendu en couches avec `gl_Layer` : C'est une technique très efficace. La variable de sortie intégrée `gl_Layer` vous permet de diriger vers quelle couche d'un tableau de framebuffer ou quelle face d'une cubemap la primitive de sortie doit être rendue. Un cas d'utilisation principal est le rendu des shadow maps omnidirectionnelles pour les lumières ponctuelles. Vous pouvez lier une cubemap au framebuffer et, en un seul appel de dessin, itérer à travers les 6 faces dans le Geometry Shader, en définissant `gl_Layer` de 0 à 5 et en projetant la géométrie sur la face correcte du cube. Cela évite 6 appels de dessin distincts depuis le CPU.

L'inconvénient des performances : à manipuler avec précaution

Un grand pouvoir implique de grandes responsabilités. Les Geometry Shaders sont notoirement difficiles à optimiser pour le matériel GPU et peuvent facilement devenir un goulot d'étranglement des performances s'ils sont mal utilisés.

Pourquoi peuvent-ils être lents ?

1. Rupture du parallélisme : Les GPU atteignent leur vitesse grâce à un parallélisme massif. Les vertex shaders sont hautement parallèles car chaque sommet est traité indépendamment. Un Geometry Shader, cependant, traite les primitives séquentiellement au sein de son petit groupe, et la taille de la sortie est variable. Cette imprévisibilité perturbe le flux de travail hautement optimisé du GPU.
2. Bande passante mémoire et inefficacité du cache : L'entrée d'un GS est la sortie de toute l'étape de shading des sommets pour une primitive. La sortie du GS est ensuite envoyée au rastériseur. Cette étape intermédiaire peut saturer le cache du GPU, surtout si le GS amplifie considérablement la géométrie (le "facteur d'amplification").
3. Surcharge du pilote : Sur certains matériels, en particulier les GPU mobiles qui sont des cibles courantes pour WebGL, l'utilisation d'un Geometry Shader peut forcer le pilote à emprunter un chemin plus lent et moins optimisé.

Quand devriez-vous utiliser un Geometry Shader ?

Malgré les avertissements, il existe des scénarios où un GS est le bon outil pour le travail :

• Faible facteur d'amplification : Lorsque le nombre de sommets de sortie n'est pas radicalement supérieur au nombre de sommets d'entrée (par exemple, générer un seul quad à partir d'un point, ou éclater un triangle en un autre triangle).
• Applications limitées par le CPU : Si votre goulot d'étranglement est le CPU qui envoie trop d'appels de dessin ou trop de données, un GS peut décharger ce travail sur le GPU. Le rendu en couches en est un parfait exemple.
• Algorithmes nécessitant l'adjacence des primitives : Pour les effets qui ont besoin de connaître les voisins d'un triangle, les GS avec des primitives d'adjacence peuvent être plus efficaces que des techniques multi-passes complexes ou le pré-calcul de données sur le CPU.

Alternatives aux Geometry Shaders

Envisagez toujours des alternatives avant de vous tourner vers un Geometry Shader, surtout si les performances sont critiques :

• Rendu instancié : Pour le rendu d'un grand nombre d'objets identiques (comme des particules ou des brins d'herbe), l'instanciation est presque toujours plus rapide. Vous fournissez un seul maillage et un tampon de données d'instance (position, rotation, couleur), et le GPU dessine toutes les instances en un seul appel hautement optimisé.
• Astuces de Vertex Shader : Vous pouvez réaliser une certaine amplification de géométrie dans un vertex shader. En utilisant `gl_VertexID` et `gl_InstanceID` et une petite table de consultation (par exemple, un tableau uniform), vous pouvez faire en sorte qu'un vertex shader calcule les décalages des coins pour un quad au sein d'un seul appel de dessin en utilisant `gl.POINTS` comme entrée. C'est souvent plus rapide pour la génération de sprites simples.
• Compute Shaders : (Pas dans WebGL 2.0, mais pertinent pour le contexte) Dans les API natives comme OpenGL, Vulkan et DirectX, les Compute Shaders sont la manière moderne, plus flexible et souvent plus performante d'effectuer des calculs généraux sur GPU, y compris la génération de géométrie procédurale dans un tampon.

Conclusion : un outil puissant et nuancé

Les Geometry Shaders de WebGL sont un ajout significatif à la boîte à outils graphique du web. Ils brisent le paradigme rigide d'entrée/sortie 1:1 des vertex shaders, donnant aux développeurs le pouvoir de créer, modifier et éliminer des primitives géométriques dynamiquement sur le GPU. De la génération de sprites de particules et de détails procéduraux à la mise en œuvre de techniques de rendu très efficaces comme le rendu de cubemap en une seule passe, leur potentiel est vaste.

Cependant, ce pouvoir doit être manié avec une compréhension de ses implications sur les performances. Ils ne sont pas une solution universelle pour toutes les tâches liées à la géométrie. Profilez toujours votre application et envisagez des alternatives comme l'instanciation, qui peuvent être mieux adaptées à une amplification à haut volume.

En comprenant les fondamentaux, en expérimentant avec des applications pratiques et en étant conscient des performances, vous pouvez intégrer efficacement les Geometry Shaders dans vos projets WebGL 2.0, repoussant les limites de ce qui est possible en matière de graphismes 3D en temps réel sur le web pour un public mondial.