Attributs d'instance WebGL : Gestion efficace des données d'instance

Dans les graphismes 3D modernes, le rendu de nombreux objets similaires est une tâche courante. Pensez à des scénarios tels que l'affichage d'une forêt d'arbres, d'une foule de personnes ou d'un essaim de particules. Rendre naïvement chaque objet individuellement peut être coûteux en termes de calcul, entraînant des goulots d'étranglement de performance. Le rendu d'instances WebGL offre une solution puissante en nous permettant de dessiner plusieurs instances du même objet avec différents attributs en utilisant un seul appel de dessin. Cela réduit considérablement la surcharge associée aux appels de dessin multiples et améliore significativement les performances de rendu. Cet article fournit un guide complet pour comprendre et implémenter les attributs d'instance WebGL.

Comprendre le rendu d'instances

Le rendu d'instances est une technique qui vous permet de dessiner plusieurs instances de la même géométrie avec différents attributs (par exemple, position, rotation, couleur) en utilisant un seul appel de dessin. Au lieu de soumettre les mêmes données de géométrie plusieurs fois, vous les soumettez une seule fois, accompagnées d'un tableau d'attributs par instance. Le GPU utilise ensuite ces attributs par instance pour faire varier le rendu de chaque instance. Cela réduit la surcharge du CPU et la bande passante mémoire, ce qui se traduit par des améliorations de performance significatives.

Avantages du rendu d'instances

• Surcharge CPU réduite : Minimise le nombre d'appels de dessin, réduisant le traitement côté CPU.
• Bande passante mémoire améliorée : Soumet les données de géométrie une seule fois, réduisant le transfert de mémoire.
• Performance de rendu accrue : Amélioration globale des images par seconde (FPS) grâce à la réduction de la surcharge.

Introduction aux attributs d'instance

Les attributs d'instance sont des attributs de sommet qui s'appliquent à des instances individuelles plutôt qu'à des sommets individuels. Ils sont essentiels pour le rendu d'instances car ils fournissent les données uniques nécessaires pour différencier chaque instance de la géométrie. En WebGL, les attributs d'instance sont liés à des objets tampons de sommets (VBOs) et configurés à l'aide d'extensions WebGL spécifiques ou, de préférence, de la fonctionnalité principale de WebGL2.

Concepts clés

• Données de géométrie : La géométrie de base à rendre (par exemple, un cube, une sphère, un modèle d'arbre). Celles-ci sont stockées dans des attributs de sommet réguliers.
• Données d'instance : Les données qui varient pour chaque instance (par exemple, position, rotation, échelle, couleur). Celles-ci sont stockées dans des attributs d'instance.
• Vertex Shader : Le programme de shader responsable de la transformation des sommets en fonction des données de géométrie et d'instance.
• gl.drawArraysInstanced() / gl.drawElementsInstanced() : Les fonctions WebGL utilisées pour initier le rendu d'instances.

Implémentation des attributs d'instance en WebGL2

WebGL2 offre un support natif pour le rendu d'instances, ce qui rend l'implémentation plus propre et plus efficace. Voici un guide étape par étape :

Étape 1 : Créer et lier les données d'instance

Tout d'abord, vous devez créer un tampon pour contenir les données d'instance. Ces données incluront généralement des attributs tels que la position, la rotation (représentée par des quaternions ou des angles d'Euler), l'échelle et la couleur. Créons un exemple simple où chaque instance a une position et une couleur différentes :

            
// Nombre d'instances
const numInstances = 1000;

// Créer des tableaux pour stocker les données d'instance
const instancePositions = new Float32Array(numInstances * 3); // x, y, z pour chaque instance
const instanceColors = new Float32Array(numInstances * 4);    // r, g, b, a pour chaque instance

// Remplir les données d'instance (exemple : positions et couleurs aléatoires)
for (let i = 0; i < numInstances; ++i) {
 const x = (Math.random() - 0.5) * 20; // Plage : -10 à 10
 const y = (Math.random() - 0.5) * 20;
 const z = (Math.random() - 0.5) * 20;
 instancePositions[i * 3 + 0] = x;
 instancePositions[i * 3 + 1] = y;
 instancePositions[i * 3 + 2] = z;

 const r = Math.random();
 const g = Math.random();
 const b = Math.random();
 const a = 1.0;
 instanceColors[i * 4 + 0] = r;
 instanceColors[i * 4 + 1] = g;
 instanceColors[i * 4 + 2] = b;
 instanceColors[i * 4 + 3] = a;
}

// Créer un tampon pour les positions d'instance
const positionBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, instancePositions, gl.STATIC_DRAW);

// Créer un tampon pour les couleurs d'instance
const colorBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, colorBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, instanceColors, gl.STATIC_DRAW);

            

              
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Étape 2 : Configurer les attributs de sommet

Ensuite, vous devez configurer les attributs de sommet dans le vertex shader pour utiliser les données d'instance. Cela implique de spécifier l'emplacement de l'attribut, le tampon et le diviseur. Le diviseur est la clé : un diviseur de 0 signifie que l'attribut avance par sommet, tandis qu'un diviseur de 1 signifie qu'il avance par instance. Des valeurs plus élevées signifient qu'il avance toutes les *n* instances.

            
// Obtenir les emplacements des attributs depuis le programme de shader
const positionAttributeLocation = gl.getAttribLocation(shaderProgram, "instancePosition");
const colorAttributeLocation = gl.getAttribLocation(shaderProgram, "instanceColor");

// Configurer l'attribut de position
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
gl.vertexAttribPointer(
 positionAttributeLocation,
 3,          // Taille : 3 composantes (x, y, z)
 gl.FLOAT,   // Type : Float
 false,      // Normalisé : Non
 0,          // Stride : 0 (données contiguës)
 0           // Décalage : 0
);
gl.enableVertexAttribArray(positionAttributeLocation);

// Définir le diviseur à 1, indiquant que cet attribut change par instance
gl.vertexAttribDivisor(positionAttributeLocation, 1);

// Configurer l'attribut de couleur
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, colorBuffer);
gl.vertexAttribPointer(
 colorAttributeLocation,
 4,          // Taille : 4 composantes (r, g, b, a)
 gl.FLOAT,   // Type : Float
 false,      // Normalisé : Non
 0,          // Stride : 0 (données contiguës)
 0           // Décalage : 0
);
gl.enableVertexAttribArray(colorAttributeLocation);

// Définir le diviseur à 1, indiquant que cet attribut change par instance
gl.vertexAttribDivisor(colorAttributeLocation, 1);

            

              
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Étape 3 : Écrire le Vertex Shader

            
#version 300 es

in vec3 a_position; // Position du sommet (données de géométrie)
in vec3 instancePosition; // Position de l'instance (attribut d'instance)
in vec4 instanceColor;    // Couleur de l'instance (attribut d'instance)

out vec4 v_color;

uniform mat4 u_modelViewProjectionMatrix;

void main() {
 vec4 worldPosition = vec4(a_position, 1.0) + vec4(instancePosition, 0.0);
 gl_Position = u_modelViewProjectionMatrix * worldPosition;
 v_color = instanceColor;
}

            

              
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Étape 4 : Dessiner les instances

Enfin, vous pouvez dessiner les instances en utilisant gl.drawArraysInstanced() ou gl.drawElementsInstanced().

            
// Lier l'objet de tableau de sommets (VAO) contenant les données de géométrie
gl.bindVertexArray(vao);

// Définir la matrice modèle-vue-projection (en supposant qu'elle est déjà calculée)
gl.uniformMatrix4fv(u_modelViewProjectionMatrixLocation, false, modelViewProjectionMatrix);

// Dessiner les instances
gl.drawArraysInstanced(
 gl.TRIANGLES, // Mode : Triangles
 0,            // Premier : 0 (commencer au début du tableau de sommets)
 numVertices,  // Nombre : Nombre de sommets dans la géométrie
 numInstances  // Nombre d'instances : Nombre d'instances à dessiner
);

            

              
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Implémentation des attributs d'instance en WebGL1 (avec des extensions)

WebGL1 ne supporte pas nativement le rendu d'instances. Cependant, vous pouvez utiliser l'extension ANGLE_instanced_arrays pour obtenir le même résultat. L'extension introduit de nouvelles fonctions pour la configuration et le dessin des instances.

Étape 1 : Obtenir l'extension

Tout d'abord, vous devez obtenir l'extension en utilisant gl.getExtension().

            
const ext = gl.getExtension('ANGLE_instanced_arrays');
if (!ext) {
 console.error('L\'extension ANGLE_instanced_arrays n\'est pas supportée.');
 return;
}

            

              
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Étape 2 : Créer et lier les données d'instance

Cette étape est la même qu'en WebGL2. Vous créez des tampons et les remplissez avec les données d'instance.

Étape 3 : Configurer les attributs de sommet

La principale différence est la fonction utilisée pour définir le diviseur. Au lieu de gl.vertexAttribDivisor(), vous utilisez ext.vertexAttribDivisorANGLE().

            
// Obtenir les emplacements des attributs depuis le programme de shader
const positionAttributeLocation = gl.getAttribLocation(shaderProgram, "instancePosition");
const colorAttributeLocation = gl.getAttribLocation(shaderProgram, "instanceColor");

// Configurer l'attribut de position
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
gl.vertexAttribPointer(
 positionAttributeLocation,
 3,          // Taille : 3 composantes (x, y, z)
 gl.FLOAT,   // Type : Float
 false,      // Normalisé : Non
 0,          // Stride : 0 (données contiguës)
 0           // Décalage : 0
);
gl.enableVertexAttribArray(positionAttributeLocation);

// Définir le diviseur à 1, indiquant que cet attribut change par instance
ext.vertexAttribDivisorANGLE(positionAttributeLocation, 1);

// Configurer l'attribut de couleur
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, colorBuffer);
gl.vertexAttribPointer(
 colorAttributeLocation,
 4,          // Taille : 4 composantes (r, g, b, a)
 gl.FLOAT,   // Type : Float
 false,      // Normalisé : Non
 0,          // Stride : 0 (données contiguës)
 0           // Décalage : 0
);
gl.enableVertexAttribArray(colorAttributeLocation);

// Définir le diviseur à 1, indiquant que cet attribut change par instance
ext.vertexAttribDivisorANGLE(colorAttributeLocation, 1);

            

              
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Étape 4 : Dessiner les instances

De même, la fonction utilisée pour dessiner les instances est différente. Au lieu de gl.drawArraysInstanced() et gl.drawElementsInstanced(), vous utilisez ext.drawArraysInstancedANGLE() et ext.drawElementsInstancedANGLE().

            
// Lier l'objet de tableau de sommets (VAO) contenant les données de géométrie
gl.bindVertexArray(vao);

// Définir la matrice modèle-vue-projection (en supposant qu'elle est déjà calculée)
gl.uniformMatrix4fv(u_modelViewProjectionMatrixLocation, false, modelViewProjectionMatrix);

// Dessiner les instances
ext.drawArraysInstancedANGLE(
 gl.TRIANGLES, // Mode : Triangles
 0,            // Premier : 0 (commencer au début du tableau de sommets)
 numVertices,  // Nombre : Nombre de sommets dans la géométrie
 numInstances  // Nombre d'instances : Nombre d'instances à dessiner
);

            

              
                Copy
              
            
          

Considérations sur les Shaders

Le vertex shader joue un rôle crucial dans le rendu d'instances. Il est responsable de la combinaison des données de géométrie avec les données d'instance pour calculer la position finale du sommet et d'autres attributs. Voici quelques considérations clés :

Accès aux attributs

Assurez-vous que le vertex shader déclare et accède correctement aux attributs de sommet réguliers ainsi qu'aux attributs d'instance. Utilisez les bons emplacements d'attributs obtenus avec gl.getAttribLocation().

Transformation

Appliquez les transformations nécessaires à la géométrie en fonction des données d'instance. Cela peut impliquer la translation, la rotation et la mise à l'échelle de la géométrie en fonction de la position, de la rotation et de l'échelle de l'instance.

Interpolation des données

Passez toutes les données pertinentes (par exemple, couleur, coordonnées de texture) au fragment shader pour un traitement ultérieur. Ces données peuvent être interpolées en fonction des positions des sommets.

Techniques d'optimisation

Bien que le rendu d'instances offre des améliorations de performance significatives, il existe plusieurs techniques d'optimisation que vous pouvez employer pour améliorer davantage l'efficacité du rendu.

Regroupement des données

Regroupez les données d'instance connexes dans un seul tampon pour réduire le nombre de liaisons de tampons et d'appels de pointeurs d'attributs. Par exemple, vous pouvez combiner la position, la rotation et l'échelle dans un seul tampon.

Alignement des données

Assurez-vous que les données d'instance sont correctement alignées en mémoire pour améliorer les performances d'accès à la mémoire. Cela peut impliquer de compléter les données pour s'assurer que chaque attribut commence à une adresse mémoire qui est un multiple de sa taille.

Élimination par tronc de vue (Frustum Culling)

Implémentez l'élimination par tronc de vue pour éviter de rendre les instances qui sont en dehors du tronc de vue de la caméra. Cela peut réduire considérablement le nombre d'instances à traiter, en particulier dans les scènes avec un grand nombre d'instances.

Niveau de détail (LOD)

Utilisez différents niveaux de détail pour les instances en fonction de leur distance par rapport à la caméra. Les instances éloignées peuvent être rendues avec un niveau de détail inférieur, réduisant ainsi le nombre de sommets à traiter.

Tri des instances

Triez les instances en fonction de leur distance par rapport à la caméra pour réduire le surdessin (overdraw). Le rendu des instances de l'avant vers l'arrière peut améliorer les performances de rendu, en particulier dans les scènes avec beaucoup d'instances qui se chevauchent.

Exemples concrets

Le rendu d'instances est utilisé dans un large éventail d'applications. Voici quelques exemples :

Rendu de forêts

Le rendu d'une forêt d'arbres est un exemple classique où le rendu d'instances peut être utilisé. Chaque arbre est une instance de la même géométrie, mais avec des positions, des rotations et des échelles différentes. Pensez à la forêt amazonienne, ou aux forêts de séquoias de Californie - deux environnements qui seraient presque impossibles à rendre sans de telles techniques.

Simulation de foules

La simulation d'une foule de personnes ou d'animaux peut être réalisée efficacement en utilisant le rendu d'instances. Chaque personne ou animal est une instance de la même géométrie, mais avec des animations, des vêtements et des accessoires différents. Imaginez simuler un marché animé à Marrakech, ou une rue densément peuplée à Tokyo.

Systèmes de particules

Les systèmes de particules, tels que le feu, la fumée ou les explosions, peuvent être rendus en utilisant le rendu d'instances. Chaque particule est une instance de la même géométrie (par exemple, un quad ou une sphère), mais avec des positions, des tailles et des couleurs différentes. Visualisez un feu d'artifice sur le port de Sydney ou les aurores boréales – chacun nécessite le rendu efficace de milliers de particules.

Visualisation architecturale

Peupler une grande scène architecturale avec de nombreux éléments identiques ou similaires, tels que des fenêtres, des chaises ou des lumières, peut grandement bénéficier du rendu d'instances. Cela permet de rendre efficacement des environnements détaillés et réalistes. Pensez à une visite virtuelle du musée du Louvre ou du Taj Mahal – des scènes complexes avec de nombreux éléments répétitifs.

Conclusion

Les attributs d'instance WebGL offrent un moyen puissant et efficace de rendre de nombreux objets similaires. En tirant parti du rendu d'instances, vous pouvez réduire considérablement la surcharge du CPU, améliorer la bande passante mémoire et augmenter les performances de rendu. Que vous développiez un jeu, une simulation ou une application de visualisation, comprendre et implémenter le rendu d'instances peut être révolutionnaire. Avec la disponibilité d'un support natif dans WebGL2 et de l'extension ANGLE_instanced_arrays dans WebGL1, le rendu d'instances est accessible à un large éventail de développeurs. En suivant les étapes décrites dans cet article et en appliquant les techniques d'optimisation discutées, vous pouvez créer des applications graphiques 3D visuellement époustouflantes et performantes qui repoussent les limites de ce qui est possible dans le navigateur.