Algorithme d'empaquetage de blocs uniformes de shaders WebGL : Optimisation de la mise en page mémoire

Dans WebGL, les shaders sont essentiels pour définir comment les objets sont rendus à l'écran. Les blocs uniformes permettent de regrouper plusieurs variables uniformes, ce qui permet un transfert de données plus efficace entre le CPU et le GPU. Cependant, la manière dont ces blocs uniformes sont empaquetés en mémoire peut avoir un impact significatif sur les performances. Cet article explore les différents algorithmes d'empaquetage disponibles dans WebGL (en particulier WebGL2, qui est nécessaire pour les blocs uniformes), en se concentrant sur les techniques d'optimisation de la mise en page mémoire.

Comprendre les blocs uniformes

Les blocs uniformes sont une fonctionnalité introduite dans OpenGL ES 3.0 (et donc WebGL2) qui vous permet de regrouper des variables uniformes connexes dans un seul bloc. Ceci est plus efficace que de définir des uniformes individuels car cela réduit le nombre d'appels d'API et permet au pilote d'optimiser le transfert de données.

Considérez l'extrait de shader GLSL suivant :

            #version 300 es

uniform CameraData {
  mat4 projectionMatrix;
  mat4 viewMatrix;
  vec3 cameraPosition;
  float nearPlane;
  float farPlane;
};

uniform LightData {
  vec3 lightPosition;
  vec3 lightColor;
  float lightIntensity;
};

in vec3 inPosition;
in vec3 inNormal;

out vec4 fragColor;

void main() {
  // ... code du shader utilisant les données uniformes ...
  gl_Position = projectionMatrix * viewMatrix * vec4(inPosition, 1.0);
  // ... calculs d'éclairage utilisant LightData ...
  fragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // Exemple
}

            

              
                Copy
              
            
          

Dans cet exemple, `CameraData` et `LightData` sont des blocs uniformes. Au lieu de définir individuellement `projectionMatrix`, `viewMatrix`, `cameraPosition`, etc., vous pouvez mettre à jour les blocs `CameraData` et `LightData` entiers avec un seul appel.

Options de mise en page mémoire

La mise en page mémoire des blocs uniformes dicte comment les variables à l'intérieur du bloc sont organisées en mémoire. WebGL2 propose trois principales options de mise en page :

• Mise en page standard : (également appelée mise en page `std140`) Il s'agit de la mise en page par défaut et elle offre un équilibre entre performances et compatibilité. Elle suit un ensemble spécifique de règles d'alignement pour garantir que les données sont correctement alignées pour un accès efficace par le GPU.
• Mise en page partagée : Semblable à la mise en page standard, mais elle donne au compilateur plus de flexibilité dans l'optimisation de la mise en page. Cependant, cela se fait au prix d'une interrogation d'offset explicite pour déterminer l'emplacement des variables dans le bloc.
• Mise en page empaquetée : Cette mise en page minimise l'utilisation de la mémoire en empaquetant les variables aussi étroitement que possible, réduisant potentiellement le remplissage. Cependant, cela peut entraîner des temps d'accès plus lents et peut dépendre du matériel, ce qui la rend moins portable.

Mise en page standard (`std140`)

La mise en page `std140` est l'option la plus courante et la plus recommandée pour les blocs uniformes dans WebGL2. Elle garantit une mise en page mémoire cohérente sur différentes plateformes matérielles, ce qui la rend très portable. Les règles de mise en page sont basées sur un schéma d'alignement en puissance de deux, ce qui garantit que les données sont correctement alignées pour un accès efficace par le GPU.

Voici un résumé des règles d'alignement pour `std140` :

• Types scalaires (float, int, bool) : Alignés sur 4 octets.
• Vecteurs (vec2, ivec2, bvec2) : Alignés sur 8 octets.
• Vecteurs (vec3, ivec3, bvec3) : Alignés sur 16 octets (nécessite un remplissage pour combler le vide).
• Vecteurs (vec4, ivec4, bvec4) : Alignés sur 16 octets.
• Matrices (mat2) : Chaque colonne est traitée comme un vec2 et alignée sur 8 octets.
• Matrices (mat3) : Chaque colonne est traitée comme un vec3 et alignée sur 16 octets (nécessite un remplissage).
• Matrices (mat4) : Chaque colonne est traitée comme un vec4 et alignée sur 16 octets.
• Tableaux : Chaque élément est aligné en fonction de son type de base, et l'alignement de base du tableau est le même que l'alignement de son élément. Il existe également un remplissage à la fin du tableau pour garantir que sa taille est un multiple de l'alignement de son élément.
• Structures : Alignées en fonction de l'exigence d'alignement la plus élevée de ses membres. Les membres sont disposés dans l'ordre dans lequel ils apparaissent dans la définition de la structure, avec un remplissage inséré si nécessaire pour satisfaire aux exigences d'alignement de chaque membre et de la structure elle-même.

Exemple :

            #version 300 es

layout(std140) uniform ExampleBlock {
  float scalar;
  vec3 vector;
  mat4 matrix;
};

            

              
                Copy
              
            
          

Dans cet exemple :

• `scalar` sera aligné sur 4 octets.
• `vector` sera aligné sur 16 octets, nécessitant 4 octets de remplissage après `scalar`.
• `matrix` sera composé de 4 colonnes, chacune étant traitée comme un `vec4` et alignée sur 16 octets.

La taille totale de `ExampleBlock` sera supérieure à la somme des tailles de ses membres en raison du remplissage.

Mise en page partagée

La mise en page partagée offre plus de flexibilité au compilateur en termes de mise en page mémoire. Bien qu'elle respecte toujours les exigences d'alignement de base, elle ne garantit pas une mise en page spécifique. Cela peut potentiellement conduire à une utilisation plus efficace de la mémoire et à de meilleures performances sur certains matériels. Cependant, l'inconvénient est que vous devez interroger explicitement les décalages des variables dans le bloc à l'aide d'appels d'API WebGL (par exemple, `gl.getActiveUniformBlockParameter` avec `gl.UNIFORM_OFFSET`).

Exemple :

            #version 300 es

layout(shared) uniform SharedBlock {
  float scalar;
  vec3 vector;
  mat4 matrix;
};

            

              
                Copy
              
            
          

Avec la mise en page partagée, vous ne pouvez pas supposer les décalages de `scalar`, `vector` et `matrix`. Vous devez les interroger au moment de l'exécution à l'aide d'appels d'API WebGL. Ceci est important si vous devez mettre à jour le bloc uniforme à partir de votre code JavaScript.

Mise en page empaquetée

La mise en page empaquetée vise à minimiser l'utilisation de la mémoire en empaquetant les variables aussi étroitement que possible, en supprimant le remplissage. Cela peut être bénéfique dans les situations où la bande passante mémoire est un goulot d'étranglement. Cependant, la mise en page empaquetée peut entraîner des temps d'accès plus lents, car le GPU pourrait avoir besoin d'effectuer des calculs plus complexes pour localiser les variables. De plus, la mise en page exacte dépend fortement du matériel et du pilote spécifiques, ce qui la rend moins portable que la mise en page `std140`. Dans de nombreux cas, l'utilisation de la mise en page empaquetée n'est pas plus rapide en pratique en raison de la complexité supplémentaire de l'accès aux données.

Exemple :

            #version 300 es

layout(packed) uniform PackedBlock {
  float scalar;
  vec3 vector;
  mat4 matrix;
};

            

              
                Copy
              
            
          

Avec la mise en page empaquetée, les variables seront empaquetées aussi étroitement que possible. Cependant, vous devez toujours interroger les décalages au moment de l'exécution car la mise en page exacte n'est pas garantie. Cette mise en page n'est généralement pas recommandée, sauf si vous avez un besoin spécifique de minimiser l'utilisation de la mémoire et que vous avez profilé votre application pour confirmer qu'elle offre un avantage de performance.

Optimisation de la mise en page mémoire des blocs uniformes

L'optimisation de la mise en page mémoire des blocs uniformes implique de minimiser le remplissage et de garantir que les données sont alignées pour un accès efficace. Voici quelques stratégies :

1. Réordonner les variables : Organiser les variables dans le bloc uniforme en fonction de leur taille et de leurs exigences d'alignement. Placez les variables plus volumineuses (par exemple, les matrices) avant les variables plus petites (par exemple, les scalaires) pour réduire le remplissage.
2. Grouper les types similaires : Groupez les variables de même type. Cela peut aider à minimiser le remplissage et à améliorer la localité du cache.
3. Utiliser les structures judicieusement : Les structures peuvent être utilisées pour regrouper des variables connexes, mais soyez attentif aux exigences d'alignement des membres de la structure. Envisagez d'utiliser plusieurs petites structures au lieu d'une grande structure si cela aide à réduire le remplissage.
4. Éviter le remplissage inutile : Soyez conscient du remplissage introduit par la mise en page `std140` et essayez de le minimiser. Par exemple, si vous avez un `vec3`, envisagez d'utiliser un `vec4` à la place pour éviter le remplissage de 4 octets. Cependant, cela se fait au prix d'une augmentation de l'utilisation de la mémoire. Vous devez évaluer les performances pour déterminer la meilleure approche.
5. Envisager d'utiliser `std430` : Bien qu'il ne soit pas directement exposé comme un qualificateur de mise en page dans WebGL2 lui-même, la mise en page `std430`, héritée d'OpenGL 4.3 et versions ultérieures (et OpenGL ES 3.1 et versions ultérieures), est une analogie plus proche de la mise en page « empaquetée » sans être aussi dépendante du matériel ni nécessiter d'interrogations d'offset au moment de l'exécution. Elle aligne essentiellement les membres sur leur taille naturelle, jusqu'à un maximum de 16 octets. Ainsi, un `float` fait 4 octets, un `vec3` fait 12 octets, etc. Cette mise en page est utilisée en interne par certaines extensions WebGL. Bien que vous ne puissiez souvent pas *spécifier* directement `std430`, la connaissance de la façon dont elle est conceptuellement similaire à l'empaquetage des variables membres est souvent utile pour disposer manuellement vos structures.

Exemple : Réorganisation des variables pour l'optimisation

Considérez le bloc uniforme suivant :

            #version 300 es

layout(std140) uniform BadBlock {
  float a;
  vec3 b;
  float c;
  vec3 d;
};

            

              
                Copy
              
            
          

Dans ce cas, il y a un remplissage important en raison des exigences d'alignement des variables `vec3`. La mise en page mémoire sera :

• `a` : 4 octets
• Remplissage : 12 octets
• `b` : 12 octets
• Remplissage : 4 octets
• `c` : 4 octets
• Remplissage : 12 octets
• `d` : 12 octets
• Remplissage : 4 octets

La taille totale de `BadBlock` est de 64 octets.

Maintenant, réorganisons les variables :

            #version 300 es

layout(std140) uniform GoodBlock {
  vec3 b;
  vec3 d;
  float a;
  float c;
};

            

              
                Copy
              
            
          

La mise en page mémoire est maintenant :

• `b` : 12 octets
• Remplissage : 4 octets
• `d` : 12 octets
• Remplissage : 4 octets
• `a` : 4 octets
• Remplissage : 4 octets
• `c` : 4 octets
• Remplissage : 4 octets

La taille totale de `GoodBlock` est toujours de 32 octets, MAIS l'accès aux flottants pourrait être légèrement plus lent (mais probablement imperceptible). Essayons autre chose :

            #version 300 es

layout(std140) uniform BestBlock {
  vec3 b;
  vec3 d;
  vec2 ac;
};

            

              
                Copy
              
            
          

La mise en page mémoire est maintenant :

• `b` : 12 octets
• Remplissage : 4 octets
• `d` : 12 octets
• Remplissage : 4 octets
• `ac` : 8 octets
• Remplissage : 8 octets

La taille totale de `BestBlock` est de 48 octets. Bien que plus grand que notre deuxième exemple, nous avons éliminé le remplissage *entre* `a` et `c`, et pouvons y accéder plus efficacement en tant que seule valeur `vec2`.

Information exploitable : Examinez et optimisez régulièrement la mise en page de vos blocs uniformes, en particulier dans les applications critiques en termes de performances. Profilez votre code pour identifier les goulots d'étranglement potentiels et expérimentez différentes mises en page pour trouver la configuration optimale.

Accès aux données des blocs uniformes en JavaScript

Pour mettre à jour les données d'un bloc uniforme à partir de votre code JavaScript, vous devez effectuer les étapes suivantes :

1. Obtenir l'index du bloc uniforme : Utilisez `gl.getUniformBlockIndex` pour récupérer l'index du bloc uniforme dans le programme de shader.
2. Obtenir la taille du bloc uniforme : Utilisez `gl.getActiveUniformBlockParameter` avec `gl.UNIFORM_BLOCK_DATA_SIZE` pour déterminer la taille du bloc uniforme en octets.
3. Créer un tampon : Créez un `Float32Array` (ou un autre tableau typé approprié) avec la taille correcte pour contenir les données du bloc uniforme.
4. Remplir le tampon : Remplissez le tampon avec les valeurs appropriées pour chaque variable du bloc uniforme. Soyez attentif à la mise en page mémoire (en particulier avec les mises en page partagées ou empaquetées) et utilisez les décalages corrects.
5. Créer un objet tampon : Créez un objet tampon WebGL à l'aide de `gl.createBuffer`.
6. Lier le tampon : Liez l'objet tampon à la cible `gl.UNIFORM_BUFFER` à l'aide de `gl.bindBuffer`.
7. Télécharger les données : Téléchargez les données du tableau typé vers l'objet tampon à l'aide de `gl.bufferData`.
8. Lier le bloc uniforme à un point de liaison : Choisissez un point de liaison de tampon uniforme (par exemple, 0, 1, 2). Utilisez `gl.bindBufferBase` ou `gl.bindBufferRange` pour lier l'objet tampon au point de liaison sélectionné.
9. Lier le bloc uniforme au point de liaison : Utilisez `gl.uniformBlockBinding` pour lier le bloc uniforme du shader au point de liaison sélectionné.

Exemple : Mise à jour d'un bloc uniforme à partir de JavaScript

            // En supposant que vous disposez d'un contexte WebGL (gl) et d'un programme de shader (program)

// 1. Obtenir l'index du bloc uniforme
const blockIndex = gl.getUniformBlockIndex(program, "MyBlock");

// 2. Obtenir la taille du bloc uniforme
const blockSize = gl.getActiveUniformBlockParameter(program, blockIndex, gl.UNIFORM_BLOCK_DATA_SIZE);

// 3. Créer un tampon
const bufferData = new Float32Array(blockSize / 4); // En supposant des flottants

// 4. Remplir le tampon (exemples de valeurs)
// Remarque : vous devez connaître les décalages des variables dans le bloc
// Pour std140, vous pouvez les calculer en fonction des règles d'alignement
// Pour partagé ou empaqueté, vous devez les interroger à l'aide de gl.getActiveUniform
bufferData[0] = 1.0; // myFloat
bufferData[4] = 2.0; // myVec3.x (le décalage doit être calculé correctement)
bufferData[5] = 3.0; // myVec3.y
bufferData[6] = 4.0; // myVec3.z


// 5. Créer un objet tampon
const buffer = gl.createBuffer();

// 6. Lier le tampon
gl.bindBuffer(gl.UNIFORM_BUFFER, buffer);

// 7. Télécharger les données
gl.bufferData(gl.UNIFORM_BUFFER, bufferData, gl.DYNAMIC_DRAW);

// 8. Lier le bloc uniforme à un point de liaison
const bindingPoint = 0;
gl.bindBufferBase(gl.UNIFORM_BUFFER, bindingPoint, buffer);

// 9. Lier le bloc uniforme au point de liaison
gl.uniformBlockBinding(program, blockIndex, bindingPoint);

            

              
                Copy
              
            
          

Considérations relatives aux performances

Le choix de la mise en page des blocs uniformes et l'optimisation de la mise en page mémoire peuvent avoir un impact significatif sur les performances, en particulier dans les scènes complexes avec de nombreuses mises à jour uniformes. Voici quelques considérations relatives aux performances :

• Bande passante mémoire : La réduction de l'utilisation de la mémoire peut réduire la quantité de données qui doivent être transférées entre le CPU et le GPU, améliorant ainsi les performances.
• Localité du cache : L'organisation des variables d'une manière qui améliore la localité du cache peut réduire le nombre de défauts de cache, ce qui entraîne des temps d'accès plus rapides.
• Alignement : Un alignement correct garantit que les données peuvent être consultées efficacement par le GPU. Les données mal alignées peuvent entraîner des pénalités de performances.
• Optimisation du pilote : Différents pilotes graphiques peuvent optimiser l'accès aux blocs uniformes de différentes manières. Expérimentez avec différentes mises en page pour trouver la meilleure configuration pour votre matériel cible.
• Nombre de mises à jour uniformes : La réduction du nombre de mises à jour uniformes peut améliorer considérablement les performances. Utilisez des blocs uniformes pour regrouper les uniformes connexes et les mettre à jour avec un seul appel.

Conclusion

Comprendre les algorithmes d'empaquetage de blocs uniformes et optimiser la mise en page mémoire est essentiel pour obtenir des performances optimales dans les applications WebGL. La mise en page `std140` offre un bon équilibre entre performances et compatibilité, tandis que les mises en page partagées et empaquetées offrent plus de flexibilité, mais nécessitent une considération attentive des dépendances matérielles et des interrogations de décalage au moment de l'exécution. En réorganisant les variables, en regroupant les types similaires et en minimisant le remplissage inutile, vous pouvez réduire considérablement l'utilisation de la mémoire et améliorer les performances.

N'oubliez pas de profiler votre code et d'expérimenter différentes mises en page pour trouver la configuration optimale pour votre application et votre matériel cible spécifiques. Examinez et optimisez régulièrement vos mises en page de blocs uniformes, en particulier à mesure que vos shaders évoluent et deviennent plus complexes.

Ressources supplémentaires

• OpenGL Wiki : Interface Block (GLSL)
• Spécification OpenGL ES 3.0

Ce guide complet devrait vous fournir une base solide pour comprendre et optimiser les algorithmes d'empaquetage de blocs uniformes de shaders WebGL. Bonne chance et bon rendu !