Prise en charge matérielle du Variable Rate Shading en WebGL : Détection des capacités du GPU

Le Variable Rate Shading (VRS) est une technique de rendu puissante qui permet aux développeurs de contrôler le taux d'ombrage dans différentes régions de l'écran. En réduisant le taux d'ombrage dans les zones où les détails sont moins importants, le VRS peut améliorer considérablement les performances de rendu sans baisse notable de la qualité visuelle. C'est particulièrement crucial pour les appareils aux ressources limitées et les applications exigeantes comme les jeux, les simulations et la réalité virtuelle.

Cependant, le VRS est une fonctionnalité dépendante du matériel. Tous les GPU ne la prennent pas en charge, et même ceux qui le font peuvent avoir des capacités variables. Par conséquent, la détection précise de la prise en charge matérielle du VRS est la première étape cruciale pour tirer parti efficacement de cette technologie dans vos applications WebGL. Cet article de blog vous guidera à travers le processus de détection du support VRS et la compréhension des différents niveaux de capacités que vous pourriez rencontrer.

Qu'est-ce que le Variable Rate Shading (VRS) ?

Traditionnellement, chaque pixel à l'écran est ombré (c'est-à-dire que sa couleur est calculée) individuellement. Ce taux d'ombrage uniforme peut être un gaspillage, car certaines zones de l'écran peuvent ne pas nécessiter une telle précision. Par exemple, les régions à faible contraste ou à mouvement rapide peuvent souvent être ombrées à un taux inférieur sans impact significatif sur la qualité visuelle perçue.

Le VRS permet aux développeurs de spécifier différents taux d'ombrage pour différentes régions de l'écran. Cela se fait généralement en divisant l'écran en tuiles ou en blocs et en attribuant un taux d'ombrage à chaque tuile. Un taux d'ombrage plus faible signifie que le GPU ombrera moins de pixels dans cette tuile, réduisant ainsi efficacement la charge de travail de rendu.

Il existe généralement deux principaux types de VRS :

• Coarse Pixel Shading (CPS) : Ce type de VRS vous permet de spécifier le taux d'ombrage par tuile. La taille de la tuile est généralement petite, comme 8x8 ou 16x16 pixels. Le CPS est une forme de VRS relativement simple et efficace.
• Content Adaptive Shading (CAS) : Cette forme plus avancée de VRS ajuste dynamiquement le taux d'ombrage en fonction du contenu de la scène. Par exemple, les zones avec beaucoup de détails ou de mouvement peuvent être ombrées à un taux plus élevé, tandis que les zones avec peu de détails ou un contenu statique peuvent être ombrées à un taux plus faible. Le CAS nécessite une analyse plus sophistiquée de la scène, mais il peut offrir des gains de performance encore plus importants.

Avantages de l'utilisation du VRS en WebGL

L'implémentation du VRS dans vos applications WebGL offre plusieurs avantages clés :

• Performances améliorées : En réduisant le taux d'ombrage dans les zones moins critiques, le VRS peut réduire considérablement la charge de travail de rendu, ce qui se traduit par des fréquences d'images plus élevées et des performances plus fluides, en particulier sur les appareils bas de gamme.
• Autonomie de la batterie accrue : Pour les appareils mobiles et les ordinateurs portables, la réduction de la charge de travail de rendu peut se traduire par une plus longue durée de vie de la batterie, permettant aux utilisateurs de profiter de vos applications plus longtemps.
• Qualité visuelle améliorée (dans certains cas) : Bien que cela puisse paraître contre-intuitif, le VRS peut parfois améliorer la qualité visuelle en vous permettant d'allouer plus de ressources de rendu aux zones visuellement importantes. Par exemple, vous pourriez réduire le taux d'ombrage en arrière-plan et utiliser les ressources économisées pour augmenter le taux d'ombrage au premier plan, ce qui donnerait des objets de premier plan plus nets et plus détaillés.
• Évolutivité : Le VRS permet à votre application de mieux s'adapter à différentes configurations matérielles. Sur les GPU haut de gamme, vous pouvez utiliser un taux d'ombrage plus élevé pour obtenir une qualité visuelle maximale, tandis que sur les GPU bas de gamme, vous pouvez utiliser un taux d'ombrage plus faible pour maintenir des performances acceptables.

Détecter la prise en charge matérielle du VRS en WebGL

Avant de pouvoir commencer à utiliser le VRS dans votre application WebGL, vous devez déterminer si le GPU de l'utilisateur le prend en charge. Cela implique de vérifier la présence des extensions WebGL nécessaires.

1. Vérification de l'extension `ANGLE_variable_rate_shading`

L'extension principale qui active le VRS en WebGL est `ANGLE_variable_rate_shading`. Vous pouvez vérifier son existence en utilisant la méthode `getExtension()` du contexte WebGL :

            const gl = canvas.getContext('webgl2');
if (!gl) {
  console.error('WebGL 2 n\'est pas pris en charge.');
  return;
}

const vrsExtension = gl.getExtension('ANGLE_variable_rate_shading');

if (vrsExtension) {
  console.log('Le Variable Rate Shading est pris en charge !');
} else {
  console.log('Le Variable Rate Shading n\'est pas pris en charge.');
}

            

              
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Remarque importante : L'extension `ANGLE_variable_rate_shading` est une extension fournie par le projet ANGLE (Almost Native Graphics Layer Engine). ANGLE est utilisé par de nombreux navigateurs pour traduire les appels WebGL en API graphiques natives des différentes plateformes (par exemple, Direct3D sur Windows, Metal sur macOS et iOS, Vulkan sur Android). Par conséquent, la présence de cette extension indique que le pilote graphique et le matériel sous-jacents prennent en charge le VRS, même si l'implémentation native de WebGL n'expose pas directement la fonctionnalité VRS.

2. Examen des capacités VRS

Une fois que vous avez confirmé que l'extension `ANGLE_variable_rate_shading` est disponible, vous devez examiner les capacités spécifiques de l'implémentation VRS. L'extension fournit plusieurs constantes et méthodes qui vous permettent d'interroger ces capacités.

a. Taux d'ombrage pris en charge

L'extension définit un ensemble de constantes qui représentent les taux d'ombrage pris en charge. Ces constantes sont des puissances de deux et indiquent le nombre de pixels qui sont ombrés par fragment.

• `gl.SHADING_RATE_1X1_PIXELS` : Ombrer chaque pixel (1x1).
• `gl.SHADING_RATE_1X2_PIXELS` : Ombrer un pixel sur deux horizontalement (1x2).
• `gl.SHADING_RATE_2X1_PIXELS` : Ombrer un pixel sur deux verticalement (2x1).
• `gl.SHADING_RATE_2X2_PIXELS` : Ombrer un pixel sur deux dans les deux dimensions (2x2).
• `gl.SHADING_RATE_4X2_PIXELS` : Ombrer un pixel sur quatre horizontalement et un pixel sur deux verticalement (4x2).
• `gl.SHADING_RATE_2X4_PIXELS` : Ombrer un pixel sur deux horizontalement et un pixel sur quatre verticalement (2x4).
• `gl.SHADING_RATE_4X4_PIXELS` : Ombrer un pixel sur quatre dans les deux dimensions (4x4).

Pour déterminer quels taux d'ombrage sont réellement pris en charge par le GPU, vous pouvez utiliser la méthode `getSupportedShadingRates()` de l'extension. Cette méthode renvoie un tableau de booléens, où chaque élément indique si le taux d'ombrage correspondant est pris en charge. L'ordre des éléments correspond à l'ordre des constantes listées ci-dessus.

            if (vrsExtension) {
  const supportedShadingRates = vrsExtension.getSupportedShadingRates();

  console.log('Taux d\'ombrage pris en charge :');
  console.log('  1x1: ' + supportedShadingRates[0]);
  console.log('  1x2: ' + supportedShadingRates[1]);
  console.log('  2x1: ' + supportedShadingRates[2]);
  console.log('  2x2: ' + supportedShadingRates[3]);
  console.log('  4x2: ' + supportedShadingRates[4]);
  console.log('  2x4: ' + supportedShadingRates[5]);
  console.log('  4x4: ' + supportedShadingRates[6]);
}

            

              
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En examinant le tableau `supportedShadingRates`, vous pouvez déterminer quels taux d'ombrage vous pouvez utiliser en toute sécurité dans votre application.

b. Nombre de combineurs de taux d'ombrage

La propriété `shadingRateCombinerCount` de l'extension indique le nombre de combineurs de taux d'ombrage pris en charge par le GPU. Les combineurs de taux d'ombrage vous permettent de combiner plusieurs sources d'informations sur le taux d'ombrage pour produire un taux d'ombrage final. Plus il y a de combineurs disponibles, plus vous pouvez être flexible dans le contrôle du taux d'ombrage.

            if (vrsExtension) {
  const shadingRateCombinerCount = vrsExtension.shadingRateCombinerCount;
  console.log('Nombre de combineurs de taux d\'ombrage : ' + shadingRateCombinerCount);
}

            

              
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Les valeurs typiques pour `shadingRateCombinerCount` sont 1 ou 2. Une valeur de 0 indique que les combineurs de taux d'ombrage ne sont pas pris en charge.

c. Prise en charge de l'image de taux d'ombrage

La `shadingRateImage` est une texture qui vous permet de spécifier le taux d'ombrage par tuile. L'extension fournit une constante, `gl.SHADING_RATE_IMAGE_OES`, qui représente la cible de texture pour l'image de taux d'ombrage. Pour vérifier si la `shadingRateImage` est prise en charge, interrogez la limite `MAX_FRAGMENT_UNIFORM_VECTORS`. Si le nombre de vecteurs uniformes de fragment disponibles est suffisant, le pilote prend probablement en charge la fonctionnalité `shadingRateImage`. Si le nombre maximum est très faible, la fonctionnalité n'est probablement pas prise en charge.

Bien que `shadingRateImage` soit la manière standard d'effectuer l'ombrage grossier des pixels, les implémentations matérielles de VRS peuvent choisir de l'omettre, et cela doit être détecté à l'exécution.

3. Gérer le VRS non pris en charge

Si l'extension `ANGLE_variable_rate_shading` n'est pas disponible, ou si les taux d'ombrage pris en charge sont limités, vous devez revenir gracieusement à un chemin de rendu standard. Cela peut impliquer d'utiliser un taux d'ombrage plus élevé ou de désactiver complètement le VRS. Il est crucial d'éviter de compter sur le VRS s'il n'est pas correctement pris en charge, car cela peut entraîner des erreurs de rendu ou des problèmes de performances.

Exemple : Détecter et utiliser le VRS dans une application WebGL

Voici un exemple plus complet qui montre comment détecter la prise en charge du VRS et l'utiliser pour ajuster le taux d'ombrage dans une application WebGL simple :

            
// Obtenir le contexte WebGL2
const canvas = document.getElementById('glCanvas');
const gl = canvas.getContext('webgl2');

if (!gl) {
  console.error('WebGL 2 n\'est pas pris en charge.');
  // Revenir à un chemin de rendu sans VRS
  return;
}

// Obtenir l'extension ANGLE_variable_rate_shading
const vrsExtension = gl.getExtension('ANGLE_variable_rate_shading');

if (!vrsExtension) {
  console.log('Le Variable Rate Shading n\'est pas pris en charge.');
  // Revenir à un chemin de rendu sans VRS
  return;
}

// Vérifier les taux d'ombrage pris en charge
const supportedShadingRates = vrsExtension.getSupportedShadingRates();

// Déterminer le plus bas taux d'ombrage pris en charge (autre que 1x1)
let lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_1X1_PIXELS; // Par défaut à 1x1
if (supportedShadingRates[1]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_1X2_PIXELS;
} else if (supportedShadingRates[2]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_2X1_PIXELS;
} else if (supportedShadingRates[3]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_2X2_PIXELS;
} else if (supportedShadingRates[4]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_4X2_PIXELS;
} else if (supportedShadingRates[5]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_2X4_PIXELS;
} else if (supportedShadingRates[6]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_4X4_PIXELS;
}

console.log('Taux d\'ombrage le plus bas pris en charge : ' + lowestShadingRate);

// Définir le taux d'ombrage pour une région spécifique (par ex., tout l'écran)
// Cela impliquerait généralement de créer une image de taux d'ombrage et de la lier à l'unité de texture appropriée.
// Ce qui suit est un exemple simplifié qui ne définit le taux d'ombrage que globalement.

// En supposant que vous avez un programme et que vous êtes sur le point de dessiner...

function drawScene(){
  // Lier le framebuffer approprié (si nécessaire)

  // Appeler la fonction d'extension pour définir le taux d'ombrage (exemple simplifié)
  // Dans une application réelle, cela impliquerait de configurer une image de taux d'ombrage.
  //vrsExtension.setShadingRate(lowestShadingRate);  //Ceci est une fonction hypothétique qui ne fonctionnera pas, elle est ici à titre d'exemple de ce qu'elle ferait.

  // Dessinez votre scène
  //gl.drawArrays(...);
}

// Boucle de rendu
function render() {
  // ... mettez à jour votre scène ...
  drawScene();
  requestAnimationFrame(render);
}

requestAnimationFrame(render);


            

              
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Considérations importantes :

• Image de taux d'ombrage : L'exemple ci-dessus fournit une illustration simplifiée. Dans un scénario réel, vous créeriez généralement une image de taux d'ombrage (une texture) et la lieriez à une unité de texture. Cette image contiendrait les valeurs de taux d'ombrage pour chaque tuile à l'écran. Vous utiliseriez ensuite les fonctions WebGL appropriées pour échantillonner cette image dans votre fragment shader et appliquer le taux d'ombrage correspondant. Les détails de la création et de l'utilisation d'une image de taux d'ombrage dépassent le cadre de cet article de blog introductif mais seront abordés dans de futurs articles.
• Mesure des performances : Il est crucial de mesurer attentivement l'impact sur les performances du VRS dans votre application. Bien que le VRS puisse souvent améliorer les performances, il peut également introduire une surcharge due à la nécessité de gérer l'image de taux d'ombrage et d'effectuer les calculs nécessaires dans le fragment shader. Utilisez des outils d'analyse des performances de WebGL pour déterminer les taux d'ombrage optimaux pour votre application.

Meilleures pratiques pour l'utilisation du VRS en WebGL

Pour tirer le meilleur parti du VRS dans vos applications WebGL, tenez compte des meilleures pratiques suivantes :

• Donnez la priorité à la qualité visuelle : Lors du choix des taux d'ombrage, donnez la priorité à la qualité visuelle par rapport aux performances. Commencez avec un taux d'ombrage plus élevé et réduisez-le progressivement jusqu'à ce que vous remarquiez une baisse significative de la qualité visuelle.
• Utilisez le Content-Adaptive Shading (si disponible) : Si votre GPU prend en charge l'ombrage adaptatif au contenu, utilisez-le pour ajuster dynamiquement le taux d'ombrage en fonction du contenu de la scène. Cela peut offrir des gains de performance encore plus importants sans impact notable sur la qualité visuelle.
• Considérez la taille des tuiles : La taille des tuiles affecte la granularité du contrôle du taux d'ombrage. Des tailles de tuiles plus petites permettent un contrôle plus précis, mais elles augmentent également la surcharge de gestion de l'image de taux d'ombrage. Expérimentez avec différentes tailles de tuiles pour trouver l'équilibre optimal entre précision et performance.
• Utilisez le VRS en combinaison avec d'autres techniques d'optimisation : Le VRS n'est qu'un outil dans votre arsenal d'optimisation. Utilisez-le en conjonction avec d'autres techniques, telles que la mise à l'échelle du niveau de détail (LOD), l'occlusion culling et la compression de texture, pour atteindre des performances maximales.
• Testez sur une variété d'appareils : Testez votre application sur une variété d'appareils pour vous assurer que le VRS fonctionne correctement et qu'il fournit les gains de performance attendus. Différents GPU peuvent avoir des capacités VRS différentes, il est donc important de tester sur un échantillon représentatif de matériel.

Conclusion

Le Variable Rate Shading est une technique prometteuse pour améliorer les performances de rendu dans les applications WebGL. En détectant soigneusement la prise en charge matérielle du VRS et en suivant les meilleures pratiques décrites dans cet article de blog, vous pouvez tirer parti du VRS pour créer des expériences WebGL plus efficaces et visuellement attrayantes. À mesure que WebGL continue d'évoluer, nous pouvons nous attendre à voir apparaître des fonctionnalités et des techniques VRS encore plus avancées, donnant aux développeurs encore plus de moyens de créer des graphismes web époustouflants et performants.

N'oubliez pas de toujours donner la priorité à la qualité visuelle et de mesurer attentivement l'impact sur les performances du VRS dans votre application. Ce faisant, vous pouvez vous assurer que vous utilisez le VRS efficacement pour obtenir les meilleurs résultats possibles.