WebGL Transform Feedback : Capturer la sortie du Vertex Shader pour des effets avancés

WebGL Transform Feedback est une fonctionnalité puissante qui vous permet de capturer la sortie d'un vertex shader et de l'utiliser comme entrée pour des passes de rendu ou des calculs ultérieurs. Cela ouvre un monde de possibilités pour créer des effets visuels complexes, des systèmes de particules et de la géométrie procédurale entièrement sur le GPU. Cet article offre un aperçu complet de WebGL Transform Feedback, couvrant ses concepts, son implémentation et ses applications pratiques.

Comprendre le Transform Feedback

Traditionnellement, la sortie d'un vertex shader parcourt le pipeline de rendu pour finalement contribuer à la couleur du pixel final à l'écran. Le Transform Feedback fournit un mécanisme pour intercepter cette sortie *avant* qu'elle n'atteigne le fragment shader et la stocker dans des objets tampons (buffer objects). Cela vous permet de modifier les attributs des sommets en fonction des calculs effectués dans le vertex shader, créant ainsi une boucle de rétroaction entièrement au sein du GPU.

Pensez-y comme un moyen d'« enregistrer » les sommets après qu'ils ont été transformés par le vertex shader. Ces données enregistrées peuvent ensuite être utilisées comme source pour la passe de rendu suivante. Cette capacité à capturer et à réutiliser les données des sommets rend le Transform Feedback essentiel pour diverses techniques de rendu avancées.

Concepts Clés

• Sortie du Vertex Shader : Les données émises par le vertex shader sont capturées. Ces données incluent généralement les positions des sommets, les normales, les coordonnées de texture et des attributs personnalisés.
• Objets Tampons (Buffer Objects) : La sortie capturée est stockée dans des objets tampons, qui sont des régions de mémoire allouées sur le GPU.
• Objet Transform Feedback : Un objet WebGL spécial qui gère le processus de capture de la sortie du vertex shader et son écriture dans les objets tampons.
• Boucle de Rétroaction : Les données capturées peuvent être utilisées comme entrée pour les passes de rendu suivantes, créant une boucle de rétroaction qui vous permet d'affiner et de mettre à jour la géométrie de manière itérative.

Mise en place du Transform Feedback

L'implémentation du Transform Feedback comporte plusieurs étapes :

1. Création d'un objet Transform Feedback

La première étape consiste à créer un objet Transform Feedback en utilisant la méthode gl.createTransformFeedback() :

            const transformFeedback = gl.createTransformFeedback();

            

              
                Copy
              
            
          

2. Liaison de l'objet Transform Feedback

Ensuite, liez l'objet Transform Feedback à la cible gl.TRANSFORM_FEEDBACK :

            gl.bindTransformFeedback(gl.TRANSFORM_FEEDBACK, transformFeedback);

            

              
                Copy
              
            
          

3. Spécification des Varyings

Vous devez indiquer à WebGL quelles sorties du vertex shader vous souhaitez capturer. Cela se fait en spécifiant les *varyings* – les variables de sortie du vertex shader – à capturer en utilisant gl.transformFeedbackVaryings(). Cela doit être fait *avant* de lier le programme de shader.

            const varyings = ['vPosition', 'vVelocity', 'vLife']; // Noms d'exemples de varyings
gl.transformFeedbackVaryings(program, varyings, gl.INTERLEAVED_ATTRIBS);
gl.linkProgram(program);

            

              
                Copy
              
            
          

Le mode gl.INTERLEAVED_ATTRIBS spécifie que les varyings capturés doivent être entrelacés dans un seul objet tampon. Alternativement, vous pouvez utiliser gl.SEPARATE_ATTRIBS pour stocker chaque varying dans un objet tampon séparé.

4. Création et liaison des objets tampons

Créez des objets tampons pour stocker la sortie capturée du vertex shader :

            const positionBuffer = gl.createBuffer();
const velocityBuffer = gl.createBuffer();
const lifeBuffer = gl.createBuffer();

            

              
                Copy
              
            
          

Liez ces objets tampons à l'objet Transform Feedback en utilisant gl.bindBufferBase(). Le point de liaison correspond à l'ordre des varyings spécifiés dans gl.transformFeedbackVaryings() lorsque vous utilisez gl.SEPARATE_ATTRIBS ou à l'ordre dans lequel ils sont déclarés dans le vertex shader lorsque vous utilisez gl.INTERLEAVED_ATTRIBS.

            gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, positionBuffer); // vPosition
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 1, velocityBuffer); // vVelocity
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 2, lifeBuffer);   // vLife

            

              
                Copy
              
            
          

Si vous utilisez gl.INTERLEAVED_ATTRIBS, il vous suffit de lier un seul tampon de taille suffisante pour contenir tous les varyings.

            const interleavedBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, interleavedBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, particleData, gl.DYNAMIC_COPY); // particleData est un TypedArray

gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, interleavedBuffer);

            

              
                Copy
              
            
          

5. Démarrage et arrêt du Transform Feedback

Pour commencer à capturer la sortie du vertex shader, appelez gl.beginTransformFeedback() :

            gl.beginTransformFeedback(gl.POINTS); // Spécifiez le type de primitive

            

              
                Copy
              
            
          

L'argument spécifie le type de primitive à utiliser pour capturer la sortie. Les options courantes incluent gl.POINTS, gl.LINES, et gl.TRIANGLES. Cela doit correspondre au type de primitive que vous rendez.

Ensuite, dessinez vos primitives comme d'habitude, mais souvenez-vous que le fragment shader ne sera pas exécuté pendant le Transform Feedback. Seul le vertex shader est actif, et sa sortie est capturée.

            gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, numParticles); // Rendre les points

            

              
                Copy
              
            
          

Enfin, arrêtez la capture de la sortie en appelant gl.endTransformFeedback() :

            gl.endTransformFeedback();

            

              
                Copy
              
            
          

6. Déliaison

Après avoir utilisé le Transform Feedback, il est de bonne pratique de délier l'objet Transform Feedback et les objets tampons :

            gl.bindTransformFeedback(gl.TRANSFORM_FEEDBACK, null);
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, null);
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 1, null);
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 2, null);

            

              
                Copy
              
            
          

Exemple de code de Vertex Shader

Voici un exemple simple d'un vertex shader qui sort les attributs de position, de vitesse et de durée de vie :

            #version 300 es

in vec4 aPosition;
in vec4 aVelocity;
in float aLife;

out vec4 vPosition;
out vec4 vVelocity;
out float vLife;

uniform float uTimeDelta;

void main() {
  vVelocity = aVelocity;
  vPosition = aPosition + vVelocity * uTimeDelta;
  vLife = aLife - uTimeDelta;

  gl_Position = vPosition; // Doit toujours sortir gl_Position pour le rendu.
}

            

              
                Copy
              
            
          

Dans cet exemple :

• aPosition, aVelocity, et aLife sont des attributs d'entrée.
• vPosition, vVelocity, et vLife sont des varyings de sortie.
• Le vertex shader met à jour la position en fonction de la vitesse et du temps.
• Le vertex shader décrémente l'attribut de durée de vie.

Applications Pratiques

Le Transform Feedback permet plusieurs applications passionnantes en WebGL :

1. Systèmes de particules

Les systèmes de particules sont un cas d'utilisation classique du Transform Feedback. Vous pouvez utiliser le vertex shader pour mettre à jour la position, la vitesse et d'autres attributs de chaque particule en fonction de simulations physiques ou d'autres règles. Le Transform Feedback vous permet de stocker ces attributs mis à jour dans des objets tampons, qui peuvent ensuite être utilisés comme entrée pour l'image suivante, créant ainsi une animation continue.

Exemple : Simuler un feu d'artifice où la position, la vitesse et la couleur de chaque particule sont mises à jour à chaque image en fonction de la gravité, de la résistance de l'air et des forces d'explosion.

2. Génération de géométrie procédurale

Le Transform Feedback peut être utilisé pour générer de la géométrie complexe de manière procédurale. Vous pouvez commencer avec un maillage initial simple, puis utiliser le vertex shader pour l'affiner et le subdiviser sur plusieurs itérations. Cela vous permet de créer des formes et des motifs complexes sans avoir à définir manuellement tous les sommets.

Exemple : Générer un paysage fractal en subdivisant récursivement des triangles et en déplaçant leurs sommets en fonction d'une fonction de bruit.

3. Effets de rendu avancés

Le Transform Feedback peut être utilisé pour implémenter divers effets de rendu avancés, tels que :

• Simulation de fluides : Simuler le mouvement des fluides en mettant à jour la position et la vitesse des particules représentant le fluide.
• Simulation de tissu : Simuler le comportement du tissu en mettant à jour la position des sommets représentant la surface du tissu.
• Morphing : Effectuer une transition fluide entre différentes formes en interpolant les positions des sommets entre deux maillages.

4. GPGPU (General-Purpose Computing on Graphics Processing Units)

Bien que ce ne soit pas son objectif principal, le Transform Feedback peut être utilisé pour des tâches GPGPU de base. Comme vous pouvez écrire des données du vertex shader dans des tampons, vous pouvez effectuer des calculs et stocker les résultats. Cependant, les compute shaders (disponibles dans WebGL 2) sont une solution plus puissante et flexible pour le calcul à usage général sur GPU.

Exemple : Système de particules simple

Voici un exemple plus détaillé de la création d'un système de particules simple utilisant le Transform Feedback. Cet exemple suppose que vous avez des connaissances de base sur la configuration de WebGL, la compilation de shaders et la création d'objets tampons.

Code JavaScript (Conceptuel) :

            // 1. Initialisation
const numParticles = 1000;

// Créer les données initiales des particules (positions, vitesses, durée de vie)
const initialParticleData = createInitialParticleData(numParticles);

// Créer et lier les objets de tableau de sommets (VAOs) pour l'entrée et la sortie
const vao1 = gl.createVertexArray();
const vao2 = gl.createVertexArray();

// Créer les tampons pour les positions, les vitesses et la durée de vie
const positionBuffer1 = gl.createBuffer();
const velocityBuffer1 = gl.createBuffer();
const lifeBuffer1 = gl.createBuffer();

const positionBuffer2 = gl.createBuffer();
const velocityBuffer2 = gl.createBuffer();
const lifeBuffer2 = gl.createBuffer();

// Initialiser les tampons avec les données initiales
gl.bindVertexArray(vao1);
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer1);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, initialParticleData.positions, gl.DYNAMIC_COPY);
// ... lier et remplir velocityBuffer1 et lifeBuffer1 de la même manière ...

gl.bindVertexArray(vao2);
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer2);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, initialParticleData.positions, gl.DYNAMIC_COPY);
// ... lier et remplir velocityBuffer2 et lifeBuffer2 de la même manière ...

gl.bindVertexArray(null);

// Créer l'objet Transform Feedback
const transformFeedback = gl.createTransformFeedback();

// Configuration du programme de shader (compiler et lier les shaders)
const program = createShaderProgram(vertexShaderSource, fragmentShaderSource);

// Spécifier les varyings (avant de lier le programme)
gl.transformFeedbackVaryings(program, ['vPosition', 'vVelocity', 'vLife'], gl.INTERLEAVED_ATTRIBS);
gl.linkProgram(program);
gl.useProgram(program);

// Obtenir les emplacements des attributs (après avoir lié le programme)
const positionLocation = gl.getAttribLocation(program, 'aPosition');
const velocityLocation = gl.getAttribLocation(program, 'aVelocity');
const lifeLocation = gl.getAttribLocation(program, 'aLife');

// 2. Boucle de Rendu (Simplifiée)
let useVAO1 = true; // Alterner entre les VAOs pour le ping-pong

function render() {
  // Changer de VAO pour le ping-pong
  const readVAO = useVAO1 ? vao1 : vao2;
  const writeVAO = useVAO1 ? vao2 : vao1;

  const readPositionBuffer = useVAO1 ? positionBuffer1 : positionBuffer2;
  const readVelocityBuffer = useVAO1 ? velocityBuffer1 : velocityBuffer2;
  const readLifeBuffer = useVAO1 ? lifeBuffer1 : lifeBuffer2;

  const writePositionBuffer = useVAO1 ? positionBuffer2 : positionBuffer1;
  const writeVelocityBuffer = useVAO1 ? velocityBuffer2 : velocityBuffer1;
  const writeLifeBuffer = useVAO1 ? lifeBuffer2 : lifeBuffer1;

  gl.bindVertexArray(readVAO);

  // Définir les pointeurs d'attributs
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, readPositionBuffer);
gl.vertexAttribPointer(positionLocation, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(positionLocation);

  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, readVelocityBuffer);
gl.vertexAttribPointer(velocityLocation, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(velocityLocation);

  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, readLifeBuffer);
gl.vertexAttribPointer(lifeLocation, 1, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(lifeLocation);

  // Lier l'objet Transform Feedback
  gl.bindTransformFeedback(gl.TRANSFORM_FEEDBACK, transformFeedback);

  // Lier les tampons de sortie
  gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, writePositionBuffer);
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 1, writeVelocityBuffer);
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 2, writeLifeBuffer);

  // Démarrer le Transform Feedback
  gl.beginTransformFeedback(gl.POINTS);

  // Dessiner les particules
  gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, numParticles);

  // Arrêter le Transform Feedback
  gl.endTransformFeedback();

  // Délier
gl.bindTransformFeedback(gl.TRANSFORM_FEEDBACK, null);
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, null);
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 1, null);
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 2, null);
gl.bindVertexArray(null);

  // Dessiner les particules (en utilisant un shader de rendu séparé)
  drawParticles(writePositionBuffer); // Suppose qu'une fonction drawParticles existe.

  // Alterner les VAOs pour la prochaine image
  useVAO1 = !useVAO1;

  requestAnimationFrame(render);
}

render();

            

              
                Copy
              
            
          

Code du Vertex Shader (Simplifié) :

            #version 300 es

in vec3 aPosition;
in vec3 aVelocity;
in float aLife;

uniform float uTimeDelta;

out vec3 vPosition;
out vec3 vVelocity;
out float vLife;

void main() {
  // Mettre à jour les propriétés des particules
  vVelocity = aVelocity * 0.98; // Appliquer un amortissement
  vPosition = aPosition + vVelocity * uTimeDelta;
  vLife = aLife - uTimeDelta;

  // Réapparaître si la durée de vie est nulle
  if (vLife <= 0.0) {
    vLife = 1.0;
    vPosition = vec3(0.0); // Réinitialiser la position à l'origine
    vVelocity = vec3((rand(gl_VertexID) - 0.5) * 2.0, 1.0, (rand(gl_VertexID + 1) - 0.5) * 2.0); // Vitesse aléatoire
  }

  gl_Position = vec4(vPosition, 1.0); // gl_Position est toujours requis pour le rendu !
  gl_PointSize = 5.0;                  // Ajuster la taille des particules selon les besoins
}

// Générateur de nombres pseudo-aléatoires simple pour WebGL 2 (non sécurisé cryptographiquement !)
float rand(int n) {
    return fract(sin(float(n) * 12.9898 + 78.233) * 43758.5453);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Explication :

• Mise en Tampon Ping-Pong : Le code utilise deux ensembles d'objets de tableau de sommets (VAOs) et d'objets tampons pour implémenter une technique de mise en tampon ping-pong. Cela vous permet de lire depuis un ensemble de tampons tout en écrivant dans l'autre, évitant ainsi les dépendances de données et assurant une animation fluide.
• Initialisation : Le code initialise le système de particules en créant les tampons nécessaires, en configurant le programme de shader et en spécifiant les varyings à capturer par le Transform Feedback.
• Boucle de Rendu : La boucle de rendu effectue les étapes suivantes :
• Lie le VAO et les objets tampons appropriés pour la lecture.
• Définit les pointeurs d'attributs pour indiquer à WebGL comment interpréter les données dans les objets tampons.
• Lie l'objet Transform Feedback.
• Lie les objets tampons appropriés pour l'écriture.
• Démarre le Transform Feedback.
• Dessine les particules.
• Arrête le Transform Feedback.
• Délie tous les objets.
• Vertex Shader : Le vertex shader met à jour la position et la vitesse des particules en fonction d'une simulation simple. Il vérifie également si la durée de vie de la particule est nulle et la fait réapparaître si nécessaire. De manière cruciale, il sort toujours `gl_Position` pour l'étape de rendu.

Bonnes Pratiques

• Minimiser le Transfert de Données : Le Transform Feedback est plus efficace lorsque tous les calculs sont effectués sur le GPU. Évitez de transférer inutilement des données entre le CPU et le GPU.
• Utiliser des Types de Données Appropriés : Utilisez les plus petits types de données suffisants pour vos besoins afin de minimiser l'utilisation de la mémoire et de la bande passante.
• Optimiser le Vertex Shader : Optimisez votre code de vertex shader pour améliorer les performances. Évitez les calculs complexes et utilisez les fonctions intégrées chaque fois que possible.
• Envisager les Compute Shaders : Pour des tâches GPGPU plus complexes, envisagez d'utiliser des compute shaders, qui sont disponibles dans WebGL 2.
• Comprendre les Limitations : Soyez conscient des limitations du Transform Feedback, telles que l'absence d'accès aléatoire aux tampons de sortie.

Considérations sur les Performances

Le Transform Feedback peut être un outil puissant, mais il est important d'être conscient de ses implications sur les performances :

• Taille des Objets Tampons : La taille des objets tampons utilisés pour le Transform Feedback peut avoir un impact significatif sur les performances. Des tampons plus grands nécessitent plus de mémoire et de bande passante.
• Nombre de Varyings : Le nombre de varyings capturés par le Transform Feedback peut également affecter les performances. Minimisez le nombre de varyings pour réduire la quantité de données à transférer.
• Complexité du Vertex Shader : Des vertex shaders complexes peuvent ralentir le processus de Transform Feedback. Optimisez votre code de vertex shader pour améliorer les performances.

Débogage du Transform Feedback

Le débogage du Transform Feedback peut être difficile. Voici quelques conseils :

• Vérifier les Erreurs : Utilisez gl.getError() pour vérifier toute erreur WebGL après chaque étape du processus de Transform Feedback.
• Inspecter les Objets Tampons : Utilisez gl.getBufferSubData() pour lire le contenu des objets tampons et vérifier que les données sont écrites correctement.
• Utiliser un Débogueur Graphique : Utilisez un débogueur graphique, tel que RenderDoc, pour inspecter l'état du GPU et identifier tout problème.
• Simplifier le Shader : Simplifiez votre code de vertex shader pour isoler la source du problème.

Conclusion

WebGL Transform Feedback est une technique précieuse pour créer des effets visuels avancés et effectuer des calculs basés sur le GPU. En capturant la sortie du vertex shader et en la réinjectant dans le pipeline de rendu, vous pouvez débloquer un large éventail de possibilités pour les systèmes de particules, la géométrie procédurale et d'autres tâches de rendu complexes. Bien que cela nécessite une configuration et une optimisation minutieuses, les avantages potentiels du Transform Feedback en font un ajout précieux à la boîte à outils de tout développeur WebGL.

En comprenant les concepts de base, en suivant les étapes d'implémentation et en tenant compte des bonnes pratiques décrites dans cet article, vous pouvez exploiter la puissance du Transform Feedback pour créer des expériences WebGL époustouflantes et interactives.