Realaus laiko grafika: išsami našumo optimizavimo apžvalga

Realaus laiko grafika yra visur – nuo vaizdo žaidimų ir simuliacijų iki papildytosios realybės (AR) ir virtualiosios realybės (VR) patirčių. Pasiekti aukštą našumą realaus laiko grafikoje yra itin svarbu norint sukurti sklandžias, greitai reaguojančias ir vizualiai patrauklias programas. Šiame straipsnyje nagrinėjamos įvairios realaus laiko grafikos našumo optimizavimo technikos, skirtos skirtingoms platformoms ir įrenginiams, pritaikytos pasaulinei kūrėjų ir grafikos entuziastų auditorijai.

Atvaizdavimo konvejerio supratimas

Atvaizdavimo konvejeris (angl. rendering pipeline) yra veiksmų seka, kuri 3D scenos duomenis paverčia 2D vaizdu, rodomu ekrane. Šio konvejerio supratimas yra esminis norint nustatyti našumo trikdžius ir taikyti veiksmingas optimizavimo strategijas. Konvejerį paprastai sudaro šie etapai:

• Viršūnių apdorojimas (Vertex Processing): Transformuoja ir apdoroja 3D modelių viršūnes. Šiame etape taikomos modelio, vaizdo ir projekcijos matricos, siekiant nustatyti objektų padėtį scenoje ir projektuoti juos ekrane.
• Rasterizavimas (Rasterization): Apdorotas viršūnes paverčia fragmentais (pikseliais), kurie atspindi matomus 3D modelių paviršius.
• Fragmentų apdorojimas (Fragment Processing): Nustato kiekvieno fragmento spalvą ir kitus atributus. Šiame etape taikomos tekstūros, apšvietimas ir šešėliavimo efektai galutiniam vaizdui sukurti.
• Išvesties suliejimas (Output Merging): Sujungia fragmentus su esamu kadrų buferio (framebuffer) turiniu, kad būtų sukurtas galutinis vaizdas, rodomas ekrane.

Kiekvienas atvaizdavimo konvejerio etapas gali būti potencialus našumo trikdis. Nustatymas, kuris etapas sukelia našumo problemas, yra pirmasis žingsnis optimizavimo link.

Profiliavimo įrankiai: trikdžių nustatymas

Profiliavimo įrankiai yra būtini norint nustatyti našumo trikdžius realaus laiko grafikos programose. Šie įrankiai suteikia įžvalgų apie CPU ir GPU panaudojimą, atminties naudojimą ir skirtingų atvaizdavimo konvejerio dalių vykdymo laiką. Yra keletas profiliavimo įrankių, įskaitant:

• GPU profiliuotojai: Įrankiai, tokie kaip NVIDIA Nsight Graphics, AMD Radeon GPU Profiler ir Intel Graphics Frame Analyzer, teikia išsamią informaciją apie GPU našumą, įskaitant šešėlių programų vykdymo laiką, atminties pralaidumo naudojimą ir iškvietimų (draw call) pridėtines išlaidas.
• CPU profiliuotojai: Įrankiai, tokie kaip Intel VTune Amplifier ir perf (Linux sistemoje), gali būti naudojami grafikos programų CPU našumui profiliuoti, nustatant karštąsias vietas ir sritis optimizavimui.
• Žaidime integruoti profiliuotojai: Daugelis žaidimų variklių, tokių kaip Unity ir Unreal Engine, turi integruotus profiliavimo įrankius, leidžiančius kūrėjams stebėti našumo metrikas realiuoju laiku.

Naudodamiesi šiais įrankiais, kūrėjai gali tiksliai nustatyti konkrečias kodo ar scenos sritis, kurios sukelia našumo problemas, ir atitinkamai sutelkti savo optimizavimo pastangas. Pavyzdžiui, ilgas fragmentų šešėlių programos vykdymo laikas gali rodyti šešėlių programų optimizavimo poreikį, o didelis iškvietimų (draw call) skaičius gali siūlyti naudoti objektų dauginimą (instancing) ar kitas technikas, siekiant sumažinti iškvietimų pridėtines išlaidas.

Bendrosios optimizavimo technikos

Yra keletas bendrųjų optimizavimo technikų, kurias galima taikyti realaus laiko grafikos programų našumui pagerinti, nepriklausomai nuo konkrečios platformos ar atvaizdavimo API.

Detalumo lygis (LOD)

Detalumo lygis (LOD) yra technika, kuri apima skirtingų 3D modelio versijų su įvairiais detalumo lygiais naudojimą, priklausomai nuo atstumo iki kameros. Kai objektas yra toli, naudojamas mažesnio detalumo modelis, sumažinant apdorojamų viršūnių ir trikampių skaičių. Objektui artėjant, naudojamas didesnio detalumo modelis, siekiant išlaikyti vizualinę kokybę.

LOD gali žymiai pagerinti našumą, ypač scenose su daug objektų. Daugelis žaidimų variklių turi integruotą LOD palaikymą, todėl jį lengva įdiegti.

Pavyzdys: Lenktynių žaidime tolumoje esantys automobiliai gali būti atvaizduojami su supaprastintais modeliais, o žaidėjo automobilis – su labai detaliu modeliu.

Atmetimas (Culling)

Atmetimas (Culling) yra procesas, kurio metu atmetami objektai ar jų dalys, kurios nėra matomos kamerai. Galima naudoti keletą atmetimo technikų, įskaitant:

• Nupjautinės piramidės atmetimas (Frustum Culling): Atmeta objektus, esančius už kameros matymo nupjautinės piramidės (3D regiono, matomo kamerai).
• Užstojimo atmetimas (Occlusion Culling): Atmeta objektus, kurie yra paslėpti už kitų objektų. Tai sudėtingesnė technika nei nupjautinės piramidės atmetimas, tačiau ji gali žymiai padidinti našumą scenose su dideliu užstojimo lygiu.

Atmetimas gali žymiai sumažinti apdorojamų trikampių skaičių, pagerindamas našumą, ypač sudėtingose scenose.

Pavyzdys: Pirmojo asmens šaudyklėje objektai, esantys už sienų ar pastatų, nėra atvaizduojami, taip pagerinant našumą.

Objektų dauginimas (Instancing)

Objektų dauginimas (Instancing) yra technika, leidžianti atvaizduoti kelis to paties 3D modelio egzempliorius vienu iškvietimu (draw call). Tai gali žymiai sumažinti iškvietimų pridėtines išlaidas, kurios gali būti pagrindinis našumo trikdis realaus laiko grafikos programose.

Objektų dauginimas ypač naudingas atvaizduojant didelį skaičių identiškų ar panašių objektų, tokių kaip medžiai, žolė ar dalelės.

Pavyzdys: Mišką su tūkstančiais medžių galima efektyviai atvaizduoti naudojant objektų dauginimą, kai vienas medžio modelis piešiamas kelis kartus su skirtingomis pozicijomis, pasukimais ir masteliais.

Tekstūrų optimizavimas

Tekstūros yra esminė realaus laiko grafikos dalis, tačiau jos taip pat gali sunaudoti daug atminties ir pralaidumo. Tekstūrų optimizavimas gali pagerinti našumą ir sumažinti atminties naudojimą. Keletas įprastų tekstūrų optimizavimo technikų apima:

• Tekstūrų glaudinimas: Tekstūrų glaudinimas sumažina jų dydį, taupant atmintį ir pralaidumą. Yra keletas tekstūrų glaudinimo formatų, tokių kaip DXT (DirectX Texture Compression) ir ETC (Ericsson Texture Compression). Glaudinimo formato pasirinkimas priklauso nuo tikslinės platformos ir norimos kokybės.
• Mipmapping: Tai procesas, kurio metu sukuriamos kelios skirtingų rezoliucijų tekstūros versijos. Kai tekstūra atvaizduojama iš toli, naudojamas žemesnės rezoliucijos mipmap lygis, taip sumažinant reikalingų nuskaityti tekstūros duomenų kiekį.
• Tekstūrų atlasai: Kelių mažesnių tekstūrų sujungimas į vieną didesnį tekstūrų atlasą gali sumažinti tekstūrų perjungimų skaičių, o tai gali pagerinti našumą.

Pavyzdys: Suspaustų tekstūrų naudojimas mobiliajame žaidime gali žymiai sumažinti žaidimo dydį ir pagerinti našumą įrenginiuose su ribota atmintimi ir pralaidumu.

Šešėlių programų optimizavimas

Šešėlių programos (Shaders) yra programos, veikiančios GPU ir atliekančios viršūnių bei fragmentų apdorojimą. Šešėlių programų optimizavimas gali žymiai pagerinti našumą, ypač scenarijuose, kuriuos riboja fragmentų apdorojimas.

Keletas šešėlių programų optimizavimo technikų apima:

• Instrukcijų skaičiaus mažinimas: Instrukcijų skaičiaus minimizavimas šešėlių programoje gali sutrumpinti vykdymo laiką. Tai galima pasiekti supaprastinant programos kodą, naudojant efektyvesnius algoritmus ir vengiant nereikalingų skaičiavimų.
• Mažesnio tikslumo duomenų tipų naudojimas: Naudojant mažesnio tikslumo duomenų tipus, pvz., pusės tikslumo slankiojo kablelio skaičius (fp16), galima sumažinti atminties pralaidumą ir pagerinti našumą, ypač mobiliuosiuose įrenginiuose.
• Šakojimosi vengimas: Šakojimasis (if-else sakiniai) gali būti brangus GPU, nes gali sukelti išsiskiriančius vykdymo kelius. Šakojimosi minimizavimas arba technikų, tokių kaip predikacija, naudojimas gali pagerinti našumą.

Pavyzdys: Optimizavus šešėlių programą, kuri skaičiuoja apšvietimo efektus, galima žymiai pagerinti žaidimo su sudėtingu apšvietimu našumą.

Platformoms būdingas optimizavimas

Skirtingos platformos turi skirtingas aparatinės ir programinės įrangos charakteristikas, kurios gali paveikti realaus laiko grafikos programų našumą. Platformoms būdingas optimizavimas yra labai svarbus norint pasiekti optimalų našumą kiekvienoje platformoje.

Staliniai kompiuteriai (Windows, macOS, Linux)

Stalinių kompiuterių platformos paprastai turi galingesnius GPU ir CPU nei mobilieji įrenginiai, tačiau jos taip pat turi didesnės raiškos ekranus ir didesnes darbo apkrovas. Keletas optimizavimo technikų stalinėms platformoms apima:

• API pasirinkimas: Tinkamo atvaizdavimo API (DirectX, Vulkan, OpenGL) pasirinkimas gali turėti didelės įtakos našumui. Vulkan ir DirectX 12 siūlo žemesnio lygio prieigą prie GPU, leidžiančią geriau kontroliuoti išteklių valdymą ir sinchronizavimą.
• Daugiagijis apdorojimas (Multi-Threading): Daugiagijo apdorojimo naudojimas CPU reikalaujančioms užduotims, tokioms kaip scenos valdymas ir fizika, perkelti, gali pagerinti našumą ir reakcijos greitį.
• Šešėlių programų modelis: Naudojant naujausią šešėlių programų modelį galima gauti prieigą prie naujų funkcijų ir optimizacijų.

Mobilieji įrenginiai (iOS, Android)

Mobilieji įrenginiai turi ribotą baterijos veikimo laiką ir apdorojimo galią, todėl našumo optimizavimas yra dar svarbesnis. Keletas optimizavimo technikų mobiliosioms platformoms apima:

• Energijos valdymas: Programos optimizavimas siekiant sumažinti energijos suvartojimą gali prailginti baterijos veikimo laiką ir išvengti perkaitimo.
• Atminties valdymas: Mobilieji įrenginiai turi ribotą atmintį, todėl kruopštus atminties valdymas yra labai svarbus. Atminties nuotėkių vengimas ir efektyvių duomenų struktūrų naudojimas gali pagerinti našumą.
• API pasirinkimas: OpenGL ES yra labiausiai paplitęs atvaizdavimo API mobiliuosiuose įrenginiuose, tačiau Vulkan populiarėja, siūlydamas geresnį našumą ir mažesnes pridėtines išlaidas.
• Adaptyvus raiškos mastelio keitimas: Dinamiškas atvaizdavimo raiškos koregavimas atsižvelgiant į įrenginio našumą gali padėti išlaikyti sklandų kadrų dažnį.

Žiniatinklis (WebAssembly/WebGL)

Žiniatinklio grafikos programos susiduria su unikaliais iššūkiais, tokiais kaip ribota prieiga prie aparatinės įrangos ir poreikis veikti naršyklės aplinkoje. Keletas optimizavimo technikų žiniatinklio platformoms apima:

• WebAssembly: Naudojant WebAssembly galima žymiai pagerinti daug skaičiavimų reikalaujančių užduočių našumą, palyginti su JavaScript.
• WebGL: WebGL yra standartinis atvaizdavimo API žiniatinklio naršyklėms, tačiau jis turi tam tikrų apribojimų, palyginti su vietinėmis API, tokiomis kaip DirectX ir Vulkan.
• Kodo optimizavimas: JavaScript kodo optimizavimas gali pagerinti našumą, ypač užduotims, kurios nėra tinkamos WebAssembly.
• Išteklių optimizavimas: Išteklių, tokių kaip tekstūros ir modeliai, optimizavimas gali sumažinti atsisiuntimo dydį ir pagerinti įkėlimo laiką.

Pažangios technikos

Be bendrųjų ir platformoms būdingų technikų, galima taikyti keletą pažangių optimizavimo metodų, siekiant dar didesnio našumo.

Skaičiavimo šešėlių programos (Compute Shaders)

Skaičiavimo šešėlių programos (Compute shaders) yra programos, veikiančios GPU ir atliekančios bendrosios paskirties skaičiavimus. Jos gali būti naudojamos CPU reikalaujančioms užduotims, tokioms kaip fizikos simuliacijos, dirbtinio intelekto skaičiavimai ir papildomo apdorojimo (post-processing) efektai, perkelti į GPU.

Skaičiavimo šešėlių programų naudojimas gali žymiai pagerinti našumą, ypač programoms, kurias riboja CPU.

Spindulių sekimas (Ray Tracing)

Spindulių sekimas (Ray tracing) yra atvaizdavimo technika, kuri imituoja šviesos spindulių kelią, siekiant sukurti realistiškesnius vaizdus. Spindulių sekimas reikalauja daug skaičiavimų, tačiau gali sukurti stulbinančius vizualinius rezultatus.

Aparatinės įrangos pagreitintas spindulių sekimas, prieinamas moderniuose GPU, gali žymiai pagerinti spinduliais sekamo atvaizdavimo našumą.

Kintamo dažnio šešėliavimas (VRS)

Kintamo dažnio šešėliavimas (VRS) yra technika, leidžianti GPU keisti šešėliavimo dažnį skirtingose ekrano dalyse. Tai gali būti naudojama šešėliavimo dažniui sumažinti mažiau svarbiose žiūrovui srityse, pavyzdžiui, tose, kurios nėra sufokusuotos arba juda.

VRS gali pagerinti našumą, reikšmingai nepaveikiant vizualinės kokybės.

Išvada

Realaus laiko grafikos našumo optimizavimas yra sudėtinga, bet esminė užduotis kuriant įtraukiančias ir vizualiai patrauklias programas. Suprasdami atvaizdavimo konvejerį, naudodami profiliavimo įrankius trikdžiams nustatyti ir taikydami tinkamas optimizavimo technikas, kūrėjai gali pasiekti reikšmingų našumo pagerinimų įvairiose platformose ir įrenginiuose. Sėkmės raktas slypi bendrųjų optimizavimo principų, platformoms būdingų aspektų ir protingo pažangių atvaizdavimo technikų taikymo derinyje. Nepamirškite visada profiliuoti ir testuoti savo optimizacijas, kad įsitikintumėte, jog jos iš tikrųjų gerina našumą jūsų konkrečioje programoje ir tikslinėje platformoje. Sėkmės!