Requêtes d'occlusion WebGL : Test de visibilité et optimisation des performances

Dans le domaine du développement WebGL, la performance est primordiale. Les scènes complexes avec de nombreux objets peuvent rapidement surcharger le GPU, entraînant des chutes d'images et une mauvaise expérience utilisateur. Une technique puissante pour atténuer ce problème est l'élimination de l'occlusion (occlusion culling), où les objets cachés derrière d'autres ne sont pas rendus, économisant ainsi un temps de traitement précieux. Les requêtes d'occlusion WebGL fournissent un mécanisme pour déterminer efficacement la visibilité des objets, permettant une élimination efficace de l'occlusion.

Que sont les requêtes d'occlusion WebGL ?

Une requête d'occlusion WebGL est une fonctionnalité qui vous permet de demander au GPU combien de fragments (pixels) ont été dessinés par un ensemble spécifique de commandes de rendu. Essentiellement, vous soumettez des appels de dessin pour un objet, et le GPU vous indique si l'un de ses fragments a réussi le test de profondeur et était réellement visible. Cette information peut ensuite être utilisée pour déterminer si l'objet est masqué par d'autres objets dans la scène. Si la requête renvoie zéro (ou un très petit nombre), cela signifie que l'objet était complètement (ou presque) masqué et n'a pas besoin d'être rendu dans les images suivantes. Cette technique réduit considérablement la charge de rendu et améliore les performances, en particulier dans les scènes complexes.

Fonctionnement des requêtes d'occlusion : un aperçu simplifié

1. Créer un objet de requête : Vous créez d'abord un objet de requête en utilisant gl.createQuery(). Cet objet contiendra les résultats de la requête d'occlusion.
2. Commencer la requête : Vous démarrez la requête en utilisant gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query). La cible gl.ANY_SAMPLES_PASSED spécifie que nous nous intéressons à savoir si des échantillons (fragments) ont réussi le test de profondeur. D'autres cibles existent, telles que gl.ANY_SAMPLES_PASSED_CONSERVATIVE (qui fournit un résultat plus conservateur, incluant potentiellement des faux positifs pour de meilleures performances) et gl.SAMPLES_PASSED (qui compte le nombre d'échantillons ayant réussi le test de profondeur, déprécié dans WebGL2).
3. Rendre l'objet potentiellement masqué : Vous exécutez ensuite les appels de dessin pour l'objet dont vous voulez tester la visibilité. Il s'agit généralement d'une boîte englobante simplifiée ou d'une représentation grossière de l'objet. Le rendu d'une version simplifiée réduit l'impact sur les performances de la requête elle-même.
4. Terminer la requête : Vous terminez la requête en utilisant gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED).
5. Récupérer le résultat de la requête : Le résultat de la requête n'est pas disponible immédiatement. Le GPU a besoin de temps pour traiter les commandes de rendu et déterminer le nombre de fragments qui ont réussi. Vous pouvez récupérer le résultat en utilisant gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT).
6. Interpréter le résultat : Si le résultat de la requête est supérieur à zéro, cela signifie qu'au moins un fragment de l'objet était visible. Si le résultat est zéro, cela signifie que l'objet était complètement masqué.
7. Utiliser le résultat pour l'élimination de l'occlusion : En fonction du résultat de la requête, vous pouvez décider de rendre l'objet complet et détaillé dans les images suivantes.

Avantages de l'utilisation des requêtes d'occlusion

• Amélioration des performances de rendu : En évitant le rendu des objets masqués, les requêtes d'occlusion peuvent réduire considérablement la charge de rendu, conduisant à des fréquences d'images plus élevées et une expérience utilisateur plus fluide.
• Réduction de la charge du GPU : Moins de rendu signifie moins de travail pour le GPU, ce qui peut améliorer l'autonomie de la batterie sur les appareils mobiles et réduire la production de chaleur sur les ordinateurs de bureau.
• Fidélité visuelle accrue : En optimisant les performances de rendu, vous pouvez vous permettre de rendre des scènes plus complexes avec plus de détails sans sacrifier la fréquence d'images.
• Évolutivité : Les requêtes d'occlusion sont particulièrement bénéfiques pour les scènes complexes avec un grand nombre d'objets, car les gains de performance augmentent avec la complexité de la scène.

Défis et considérations

Bien que les requêtes d'occlusion offrent des avantages significatifs, il y a aussi quelques défis et considérations à garder à l'esprit :

• Latence : Les requêtes d'occlusion introduisent une latence car le résultat de la requête n'est pas immédiatement disponible. Le GPU a besoin de temps pour traiter les commandes de rendu et déterminer le nombre de fragments qui ont réussi. Cette latence peut entraîner des artefacts visuels si elle n'est pas gérée avec soin.
• Surcharge des requêtes : L'exécution de requêtes d'occlusion entraîne également une certaine surcharge. Le GPU doit suivre l'état de la requête et compter les fragments qui réussissent le test de profondeur. Cette surcharge peut annuler les avantages de performance si les requêtes ne sont pas utilisées judicieusement.
• Occlusion conservatrice : Pour minimiser l'impact de la latence, il est souvent souhaitable d'utiliser une occlusion conservatrice, où les objets sont considérés comme visibles même si seul un petit nombre de fragments sont visibles. Cela peut conduire au rendu d'objets partiellement masqués, mais évite les artefacts visuels qui peuvent survenir avec une élimination de l'occlusion agressive.
• Sélection du volume englobant : Le choix du volume englobant (par ex., boîte englobante, sphère englobante) pour la requête d'occlusion peut avoir un impact significatif sur les performances. Des volumes englobants plus simples sont plus rapides à rendre mais peuvent entraîner plus de faux positifs (c'est-à-dire des objets considérés comme visibles alors qu'ils sont en grande partie masqués).
• Synchronisation : La récupération du résultat de la requête nécessite une synchronisation entre le CPU et le GPU. Cette synchronisation peut introduire des blocages dans le pipeline de rendu, ce qui peut affecter négativement les performances.
• Compatibilité navigateur et matériel : Assurez-vous que les navigateurs et le matériel cibles prennent en charge les requêtes d'occlusion. Bien que largement supportée, cette fonctionnalité peut manquer sur les systèmes plus anciens, nécessitant des mécanismes de repli.

Bonnes pratiques pour l'utilisation des requêtes d'occlusion WebGL

Pour maximiser les avantages des requêtes d'occlusion et minimiser les défis, considérez les bonnes pratiques suivantes :

1. Utiliser des volumes englobants simplifiés

Au lieu de rendre l'objet complet et détaillé pour la requête d'occlusion, rendez un volume englobant simplifié, tel qu'une boîte englobante ou une sphère englobante. Cela réduit la charge de rendu et accélère le processus de requête. Le volume englobant doit envelopper étroitement l'objet pour minimiser les faux positifs.

Exemple : Imaginez un modèle 3D complexe d'une voiture. Au lieu de rendre l'intégralité du modèle de voiture pour la requête d'occlusion, vous pourriez rendre une simple boîte englobante qui encapsule la voiture. Cette boîte englobante sera beaucoup plus rapide à rendre que le modèle complet de la voiture.

2. Utiliser l'élimination hiérarchique de l'occlusion

Pour les scènes complexes, envisagez d'utiliser l'élimination hiérarchique de l'occlusion, où vous organisez les objets en une hiérarchie de volumes englobants. Vous pouvez alors effectuer des requêtes d'occlusion sur les volumes englobants de niveau supérieur en premier. Si un volume englobant de niveau supérieur est masqué, vous pouvez éviter d'effectuer des requêtes d'occlusion sur ses enfants. Cela peut réduire considérablement le nombre de requêtes d'occlusion requises.

Exemple : Considérez une scène avec une ville. Vous pourriez organiser les bâtiments en blocs, puis organiser les blocs en quartiers. Vous pourriez alors effectuer des requêtes d'occlusion sur les quartiers en premier. Si un quartier est masqué, vous pouvez éviter d'effectuer des requêtes d'occlusion sur les blocs et les bâtiments individuels de ce quartier.

3. Utiliser la cohérence temporelle

Les requêtes d'occlusion présentent une cohérence temporelle, ce qui signifie que la visibilité d'un objet est susceptible d'être similaire d'une image à l'autre. Vous pouvez exploiter cette cohérence temporelle en mettant en cache les résultats des requêtes et en les utilisant pour prédire la visibilité des objets dans les images suivantes. Cela peut réduire le nombre de requêtes d'occlusion requises et améliorer les performances.

Exemple : Si un objet était visible dans l'image précédente, vous pouvez supposer qu'il est susceptible d'être visible dans l'image actuelle. Vous pouvez alors retarder l'exécution d'une requête d'occlusion sur cet objet jusqu'à ce qu'il soit susceptible d'être masqué (par exemple, s'il se déplace derrière un autre objet).

4. Envisager d'utiliser l'occlusion conservatrice

Pour minimiser l'impact de la latence, envisagez d'utiliser une occlusion conservatrice, où les objets sont considérés comme visibles même si seul un petit nombre de fragments sont visibles. Cela peut être réalisé en définissant un seuil sur le résultat de la requête. Si le résultat de la requête est supérieur au seuil, l'objet est considéré comme visible. Sinon, il est considéré comme masqué.

Exemple : Vous pourriez définir un seuil de 10 fragments. Si le résultat de la requête est supérieur à 10, l'objet est considéré comme visible. Sinon, il est considéré comme masqué. Le seuil approprié dépendra de la taille et de la complexité des objets dans votre scène.

5. Mettre en œuvre un mécanisme de repli

Tous les navigateurs et matériels ne prennent pas en charge les requêtes d'occlusion. Il est important de mettre en œuvre un mécanisme de repli qui peut être utilisé lorsque les requêtes d'occlusion ne sont pas disponibles. Cela pourrait impliquer l'utilisation d'un algorithme d'élimination de l'occlusion plus simple ou simplement la désactivation complète de l'élimination de l'occlusion.

Exemple : Vous pourriez vérifier si l'extension EXT_occlusion_query_boolean est prise en charge. Si ce n'est pas le cas, vous pourriez vous rabattre sur un algorithme d'élimination simple basé sur la distance, où les objets trop éloignés de la caméra ne sont pas rendus.

6. Optimiser le pipeline de rendu

Les requêtes d'occlusion ne sont qu'une pièce du puzzle lorsqu'il s'agit d'optimiser les performances de rendu. Il est également important d'optimiser le reste du pipeline de rendu, notamment :

• Réduire le nombre d'appels de dessin : Le regroupement des appels de dessin peut réduire considérablement la surcharge du rendu.
• Utiliser des shaders efficaces : L'optimisation des shaders peut réduire le temps passé à traiter chaque sommet et fragment.
• Utiliser le mipmapping : Le mipmapping peut améliorer les performances de filtrage des textures.
• Réduire le sur-dessin (overdraw) : Le sur-dessin se produit lorsque des fragments sont dessinés les uns sur les autres, gaspillant du temps de traitement.
• Utiliser l'instanciation : L'instanciation vous permet de rendre plusieurs copies du même objet avec un seul appel de dessin.

7. Récupération asynchrone des requêtes

La récupération du résultat de la requête peut provoquer des blocages si le GPU n'a pas fini de traiter la requête. L'utilisation de mécanismes de récupération asynchrone, si disponibles, peut aider à atténuer ce problème. Les techniques peuvent consister à attendre un certain nombre d'images avant de récupérer le résultat ou à utiliser des threads de travail dédiés pour gérer le processus de récupération des requêtes, évitant ainsi de bloquer le thread de rendu principal.

Exemple de code : Une implémentation basique de requête d'occlusion

Voici un exemple simplifié démontrant l'utilisation de base des requêtes d'occlusion en WebGL :

// Créer un objet de requête const query = gl.createQuery(); // Commencer la requête gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query); // Rendre l'objet (par ex., une boîte englobante) gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, vertexCount); // Terminer la requête gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED); // Récupérer le résultat de la requête de manière asynchrone (exemple avec requestAnimationFrame) function checkQueryResult() { gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT_AVAILABLE, (available) => { if (available) { gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT, (result) => { const isVisible = result > 0; // Utiliser le résultat de visibilité pour décider s'il faut rendre l'objet complet if (isVisible) { renderFullObject(); } }); } else { requestAnimationFrame(checkQueryResult); } }); } requestAnimationFrame(checkQueryResult);

Note : Il s'agit d'un exemple simplifié qui n'inclut pas la gestion des erreurs, la gestion appropriée des ressources ou les techniques d'optimisation avancées. N'oubliez pas de l'adapter à votre scène et à vos exigences spécifiques. La gestion des erreurs, en particulier en ce qui concerne la prise en charge des extensions et la disponibilité des requêtes, est cruciale dans les environnements de production. Des adaptations pour gérer différents scénarios potentiels devraient également être prises en considération.

Les requêtes d'occlusion dans les applications réelles

Les requêtes d'occlusion sont utilisées dans un large éventail d'applications réelles, notamment :

• Développement de jeux : L'élimination de l'occlusion est une technique cruciale pour optimiser les performances de rendu dans les jeux, en particulier dans les scènes complexes avec de nombreux objets. Les exemples incluent les titres AAA rendus dans un navigateur à l'aide de WebAssembly et WebGL, ainsi que les jeux occasionnels basés sur le web avec des environnements détaillés.
• Visualisation architecturale : Les requêtes d'occlusion peuvent être utilisées pour améliorer les performances des visualisations architecturales, permettant aux utilisateurs d'explorer de grands modèles de bâtiments détaillés en temps réel. Imaginez explorer un musée virtuel avec d'innombrables expositions - l'élimination de l'occlusion assure une navigation fluide.
• Systèmes d'Information Géographique (SIG) : Les requêtes d'occlusion peuvent être utilisées pour optimiser le rendu de grands ensembles de données géographiques complexes, tels que les villes et les paysages. Par exemple, la visualisation de modèles 3D de paysages urbains dans un navigateur web pour des simulations d'urbanisme peut grandement bénéficier de l'élimination de l'occlusion.
• Imagerie médicale : Les requêtes d'occlusion peuvent être utilisées pour améliorer les performances des applications d'imagerie médicale, permettant aux médecins de visualiser des structures anatomiques complexes en temps réel.
• E-commerce : Pour les sites web présentant des modèles 3D de produits, les requêtes d'occlusion peuvent aider à réduire la charge du GPU, garantissant une expérience plus fluide même sur les appareils moins puissants. Pensez à visualiser un modèle 3D d'un meuble complexe sur un appareil mobile ; l'élimination de l'occlusion peut aider à maintenir une fréquence d'images raisonnable.

Conclusion

Les requêtes d'occlusion WebGL sont un outil puissant pour optimiser les performances de rendu et améliorer l'expérience utilisateur dans les applications web. En éliminant efficacement les objets masqués, vous pouvez réduire la charge de rendu, améliorer les fréquences d'images et permettre des scènes plus complexes et détaillées. Bien qu'il y ait des défis à prendre en compte, tels que la latence et la surcharge des requêtes, le respect des bonnes pratiques et l'examen attentif des besoins spécifiques de votre application peuvent libérer tout le potentiel des requêtes d'occlusion. En maîtrisant ces techniques, les développeurs du monde entier peuvent offrir des expériences 3D basées sur le web plus riches, plus immersives et plus performantes.

Ressources supplémentaires

• Spécification WebGL : Référez-vous à la spécification officielle de WebGL pour les informations les plus à jour sur les requêtes d'occlusion.
• Khronos Group : Explorez le site web du Khronos Group pour des ressources relatives à WebGL et OpenGL ES.
• Tutoriels et articles en ligne : Recherchez des tutoriels et des articles en ligne sur les requêtes d'occlusion WebGL pour des exemples pratiques et des techniques avancées.
• Démos WebGL : Examinez des démos WebGL existantes qui utilisent les requêtes d'occlusion pour apprendre à partir d'implémentations réelles.