Grafikos konvejerio atskleidimas: išsami WebGL geometrijos šešėliavimo programų apžvalga

Realaus laiko 3D grafikos pasaulyje programuotojai nuolat ieško būdų, kaip geriau valdyti atvaizdavimo procesą. Daugelį metų standartinis grafikos konvejeris buvo gana fiksuotas kelias: viršūnės į vidų, pikseliai į išorę. Programuojamų šešėliavimo programų (shaders) įdiegimas tai pakeitė, tačiau ilgą laiką pagrindinė geometrijos struktūra tarp viršūnių ir fragmentų etapų išliko nekintama. WebGL 2.0, pagrįstas OpenGL ES 3.0, tai pakeitė, įvesdamas galingą, pasirenkamą etapą: geometrijos šešėliavimo programą (Geometry Shader).

Geometrijos šešėliavimo programos (GS) suteikia programuotojams beprecedentę galimybę manipuliuoti geometrija tiesiogiai GPU. Jos gali kurti naujus primityvus, naikinti esamus arba visiškai pakeisti jų tipą. Įsivaizduokite, kaip vieną tašką paverčiate keturkampiu, iš trikampio iškeliate briaunas arba atvaizduojate visas šešias kubo žemėlapio (cubemap) sienas vienu piešimo kvietimu. Tai yra galia, kurią geometrijos šešėliavimo programa suteikia jūsų naršyklėje veikiančioms 3D programoms.

Šis išsamus vadovas leis jums nuodugniai susipažinti su WebGL geometrijos šešėliavimo programomis. Išnagrinėsime, kur jos tinka konvejeryje, jų pagrindines sąvokas, praktinį įgyvendinimą, galingus naudojimo atvejus ir svarbius našumo aspektus, skirtus pasaulinei programuotojų auditorijai.

Šiuolaikinis grafikos konvejeris: kur tinka geometrijos šešėliavimo programos

Norėdami suprasti unikalų geometrijos šešėliavimo programų vaidmenį, pirmiausia prisiminkime šiuolaikinį programuojamą grafikos konvejerį, koks jis yra WebGL 2.0:

1. Viršūnių šešėliavimo programa (Vertex Shader): Tai pirmasis programuojamas etapas. Ji paleidžiama vieną kartą kiekvienai jūsų įvesties duomenų viršūnei. Jos pagrindinė užduotis yra apdoroti viršūnių atributus (pvz., poziciją, normalę ir tekstūros koordinates) ir transformuoti viršūnės poziciją iš modelio erdvės į iškarpų erdvę (clip space), išvedant `gl_Position` kintamąjį. Ji negali kurti ar naikinti viršūnių; jos įvesties ir išvesties santykis visada yra 1:1.
2. (Teseliacijos šešėliavimo programos - nepasiekiamos WebGL 2.0)
3. Geometrijos šešėliavimo programa (Geometry Shader) (pasirenkama): Tai yra mūsų dėmesio centre. GS veikia po viršūnių šešėliavimo programos. Skirtingai nuo savo pirmtako, ji vienu metu apdoroja visą primityvą (tašką, liniją ar trikampį), kartu su jo gretimomis viršūnėmis, jei to prašoma. Jos supergalia yra gebėjimas keisti geometrijos kiekį ir tipą. Ji gali išvesti nulį, vieną ar daug primityvų kiekvienam įvesties primityvui.
4. Transformacijos grįžtamasis ryšys (Transform Feedback) (pasirenkamas): Specialus režimas, leidžiantis užfiksuoti viršūnių ar geometrijos šešėliavimo programos išvestį atgal į buferį vėlesniam naudojimui, apeinant likusį konvejerį. Dažnai naudojamas GPU pagrįstoms dalelių simuliacijoms.
5. Rasterizacija: Fiksuotos funkcijos (neprogramuojamas) etapas. Jis paima primityvus, išvestus iš geometrijos šešėliavimo programos (arba viršūnių šešėliavimo programos, jei GS nėra), ir nustato, kuriuos ekrano pikselius jie dengia. Tada šioms padengtoms sritims generuoja fragmentus (potencialius pikselius).
6. Fragmentų šešėliavimo programa (Fragment Shader): Tai paskutinis programuojamas etapas. Ji veikia vieną kartą kiekvienam rasterizatoriaus sugeneruotam fragmentui. Jos pagrindinė užduotis yra nustatyti galutinę pikselio spalvą, kurią ji išveda į kintamąjį, pvz., `gl_FragColor` arba vartotojo apibrėžtą `out` kintamąjį. Čia apskaičiuojamas apšvietimas, tekstūravimas ir kiti poveikiai kiekvienam pikseliui.
7. Operacijos su kiekvienu pavyzdžiu (Per-Sample Operations): Paskutinis fiksuotos funkcijos etapas, kuriame atliekamas gylio testavimas, trafareto testavimas (stencil testing) ir maišymas (blending), prieš galutinę pikselio spalvą įrašant į kadrų buferį (framebuffer).

Geometrijos šešėliavimo programos strateginė padėtis tarp viršūnių apdorojimo ir rasterizacijos yra tai, kas ją daro tokią galingą. Ji turi prieigą prie visų primityvo viršūnių, leidžiančią atlikti skaičiavimus, kurie neįmanomi viršūnių šešėliavimo programoje, kuri mato tik vieną viršūnę vienu metu.

Pagrindinės geometrijos šešėliavimo programų sąvokos

Norint įvaldyti geometrijos šešėliavimo programas, reikia suprasti jų unikalią sintaksę ir vykdymo modelį. Jos iš esmės skiriasi nuo viršūnių ir fragmentų šešėliavimo programų.

GLSL versija

Geometrijos šešėliavimo programos yra WebGL 2.0 funkcija, o tai reiškia, kad jūsų GLSL kodas turi prasidėti versijos direktyva, skirta OpenGL ES 3.0:

#version 300 es

Įvesties ir išvesties primityvai

Svarbiausia GS dalis yra apibrėžti jos įvesties ir išvesties primityvų tipus naudojant `layout` kvalifikatorius. Tai nurodo GPU, kaip interpretuoti gaunamas viršūnes ir kokio tipo primityvus ketinate sukurti.

• Įvesties išdėstymai (Input Layouts):
  • points: Priima atskirus taškus.
  • lines: Priima 2 viršūnių linijų segmentus.
  • triangles: Priima 3 viršūnių trikampius.
  • lines_adjacency: Priima liniją su dviem gretimomis viršūnėmis (iš viso 4).
  • triangles_adjacency: Priima trikampį su trimis gretimomis viršūnėmis (iš viso 6). Gretimumo informacija naudinga efektams, pvz., siluetų kontūrų generavimui.
• Išvesties išdėstymai (Output Layouts):
  • points: Išveda atskirus taškus.
  • line_strip: Išveda sujungtų linijų seriją.
  • triangle_strip: Išveda sujungtų trikampių seriją, kuri dažnai yra efektyvesnė nei atskirų trikampių išvedimas.

Taip pat turite nurodyti maksimalų viršūnių skaičių, kurį šešėliavimo programa išves vienam įvesties primityvui, naudodami `max_vertices`. Tai yra griežta riba, kurią GPU naudoja resursų paskirstymui. Vykdymo metu viršyti šią ribą neleidžiama.

Tipiška GS deklaracija atrodo taip:

layout (triangles) in;
layout (triangle_strip, max_vertices = 4) out;

Ši šešėliavimo programa priima trikampius kaip įvestį ir žada išvesti trikampių juostą (triangle strip) su ne daugiau kaip 4 viršūnėmis kiekvienam įvesties trikampiui.

Vykdymo modelis ir įdiegtosios funkcijos

Geometrijos šešėliavimo programos `main()` funkcija iškviečiama vieną kartą kiekvienam įvesties primityvui, o ne kiekvienai viršūnei.

• Įvesties duomenys: Įvestis iš viršūnių šešėliavimo programos gaunama kaip masyvas. Įdiegtasis kintamasis `gl_in` yra struktūrų masyvas, kuriame yra viršūnių šešėliavimo programos išvestys (pvz., `gl_Position`) kiekvienai įvesties primityvo viršūnei. Jį pasiekiate taip: `gl_in[0].gl_Position`, `gl_in[1].gl_Position` ir t. t.
• Išvesties generavimas: Jūs ne tiesiog grąžinate reikšmę. Vietoj to, jūs kuriate naujus primityvus viršūnė po viršūnės, naudodami dvi pagrindines funkcijas:
  • EmitVertex(): Ši funkcija paima dabartines visų jūsų `out` kintamųjų (įskaitant `gl_Position`) reikšmes ir prideda jas kaip naują viršūnę prie dabartinės išvesties primityvo juostos.
  • EndPrimitive(): Ši funkcija signalizuoja, kad baigėte konstruoti dabartinį išvesties primityvą (pvz., tašką, liniją juostoje ar trikampį juostoje). Iškvietę šią funkciją, galite pradėti kurti viršūnes naujam primityvui.

Eiga yra paprasta: nustatykite savo išvesties kintamuosius, iškvieskite `EmitVertex()`, pakartokite tai visoms naujo primityvo viršūnėms, o tada iškvieskite `EndPrimitive()`.

Geometrijos šešėliavimo programos nustatymas JavaScript

Geometrijos šešėliavimo programos integravimas į jūsų WebGL 2.0 aplikaciją apima kelis papildomus žingsnius jūsų šešėliavimo programų kompiliavimo ir susiejimo procese. Procesas labai panašus į viršūnių ir fragmentų šešėliavimo programų nustatymą.

1. Gaukite WebGL 2.0 kontekstą: Įsitikinkite, kad iš savo drobės elemento prašote `"webgl2"` konteksto. Jei tai nepavyksta, naršyklė nepalaiko WebGL 2.0.
2. Sukurkite šešėliavimo programą: Naudokite `gl.createShader()`, bet šį kartą kaip tipą perduokite `gl.GEOMETRY_SHADER`.

   const geometryShader = gl.createShader(gl.GEOMETRY_SHADER);

3. Pateikite šaltinio kodą ir kompiliuokite: Kaip ir su kitomis šešėliavimo programomis, naudokite `gl.shaderSource()` ir `gl.compileShader()`.

   gl.shaderSource(geometryShader, geometryShaderSource);
gl.compileShader(geometryShader);
   Patikrinkite kompiliavimo klaidas naudodami `gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS)`.

4. Pridėkite ir susiekite: Prieš susiejant, pridėkite sukompiliuotą geometrijos šešėliavimo programą prie savo šešėliavimo programų rinkinio kartu su viršūnių ir fragmentų šešėliavimo programomis.

   const program = gl.createProgram();
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, geometryShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);
gl.linkProgram(program);
   Patikrinkite susiejimo klaidas naudodami `gl.getProgramParameter(program, gl.LINK_STATUS)`.

Štai ir viskas! Likusi jūsų WebGL kodo dalis, skirta buferių, atributų ir uniform kintamųjų nustatymui, bei galutinis piešimo kvietimas (`gl.drawArrays` arba `gl.drawElements`) lieka tokia pati. GPU automatiškai iškviečia geometrijos šešėliavimo programą, jei ji yra susietos programos dalis.

Praktinis pavyzdys Nr. 1: „Kiaurai“ perduodanti šešėliavimo programa (Pass-Through Shader)

Geometrijos šešėliavimo programų „hello world“ yra „kiaurai“ perduodanti šešėliavimo programa. Ji priima primityvą kaip įvestį ir išveda lygiai tą patį primityvą be jokių pakeitimų. Tai puikus būdas patikrinti, ar jūsų sąranka veikia teisingai, ir suprasti pagrindinį duomenų srautą.

Viršūnių šešėliavimo programa

Viršūnių šešėliavimo programa yra minimali. Ji tiesiog transformuoja viršūnę ir perduoda jos poziciją toliau.

            #version 300 es

layout (location=0) in vec3 a_position;

uniform mat4 u_modelViewProjection;

void main() {
    gl_Position = u_modelViewProjection * vec4(a_position, 1.0);
}
            

              
                Copy
              
            
          

Geometrijos šešėliavimo programa

Čia mes priimame trikampį ir išvedame tą patį trikampį.

            #version 300 es

// This shader takes triangles as input
layout (triangles) in;

// It will output a triangle strip with a maximum of 3 vertices
layout (triangle_strip, max_vertices = 3) out;

void main() {
    // The input 'gl_in' is an array. For a triangle, it has 3 elements.
    // gl_in[0] holds the output of the vertex shader for the first vertex.
    // We simply loop through the input vertices and emit them.

    for (int i = 0; i < gl_in.length(); i++) {
        // Copy the position from the input vertex to the output
        gl_Position = gl_in[i].gl_Position;

        // Emit the vertex
        EmitVertex();
    }

    // We are done with this primitive (a single triangle)
    EndPrimitive();
}
            

              
                Copy
              
            
          

Fragmentų šešėliavimo programa

Fragmentų šešėliavimo programa tiesiog išveda vientisą spalvą.

            #version 300 es
precision mediump float;

out vec4 outColor;

void main() {
    outColor = vec4(0.2, 0.6, 1.0, 1.0); // A nice blue color
}
            

              
                Copy
              
            
          

Paleidus šį kodą, pamatysite savo pradinę geometriją atvaizduotą lygiai taip pat, kaip ji būtų be geometrijos šešėliavimo programos. Tai patvirtina, kad duomenys teisingai teka per naująjį etapą.

Praktinis pavyzdys Nr. 2: Primityvų generavimas - nuo taškų iki keturkampių

Tai yra vienas iš labiausiai paplitusių ir galingiausių geometrijos šešėliavimo programos panaudojimo būdų: išplėtimas (amplification). Mes paimsime vieną tašką kaip įvestį ir iš jo sugeneruosime keturkampį. Tai yra GPU pagrįstų dalelių sistemų pagrindas, kur kiekviena dalelė yra į kamerą atsuktas skydelis (billboard).

Tarkime, kad mūsų įvestis yra taškų rinkinys, nupieštas su `gl.drawArrays(gl.POINTS, ...)`.

Viršūnių šešėliavimo programa

Viršūnių šešėliavimo programa vis dar paprasta. Ji apskaičiuoja taško poziciją iškarpų erdvėje. Mes taip pat perduodame pradinę pasaulio erdvės poziciją, kuri gali būti naudinga.

            #version 300 es

layout (location=0) in vec3 a_position;

uniform mat4 u_modelView;
uniform mat4 u_projection;

out vec3 v_worldPosition;

void main() {
    v_worldPosition = a_position;
    gl_Position = u_projection * u_modelView * vec4(a_position, 1.0);
}
            

              
                Copy
              
            
          

Geometrijos šešėliavimo programa

Čia ir vyksta magija. Mes paimame vieną tašką ir aplink jį sukuriame keturkampį.

            #version 300 es

// This shader takes points as input
layout (points) in;

// It will output a triangle strip with 4 vertices to form a quad
layout (triangle_strip, max_vertices = 4) out;

// Uniforms for controlling the quad size and orientation
uniform mat4 u_projection; // To transform our offsets into clip space
uniform float u_size;

// We can also pass data to the fragment shader
out vec2 v_uv;

void main() {
    // The input position of the point (center of our quad)
    vec4 centerPosition = gl_in[0].gl_Position;

    // Define the four corners of the quad in screen space
    // We create them by adding offsets to the center position.
    // The 'w' component is used to make the offsets pixel-sized.
    float halfSize = u_size * 0.5;
    vec4 offsets[4];
    offsets[0] = vec4(-halfSize, -halfSize, 0.0, 0.0);
    offsets[1] = vec4( halfSize, -halfSize, 0.0, 0.0);
    offsets[2] = vec4(-halfSize,  halfSize, 0.0, 0.0);
    offsets[3] = vec4( halfSize,  halfSize, 0.0, 0.0);

    // Define the UV coordinates for texturing
    vec2 uvs[4];
    uvs[0] = vec2(0.0, 0.0);
    uvs[1] = vec2(1.0, 0.0);
    uvs[2] = vec2(0.0, 1.0);
    uvs[3] = vec2(1.0, 1.0);

    // To make the quad always face the camera (billboarding), we would
    // typically get the camera's right and up vectors from the view matrix
    // and use them to construct the offsets in world space before projection.
    // For simplicity here, we create a screen-aligned quad.

    // Emit the four vertices of the quad
    gl_Position = centerPosition + offsets[0];
    v_uv = uvs[0];
    EmitVertex();

    gl_Position = centerPosition + offsets[1];
    v_uv = uvs[1];
    EmitVertex();

    gl_Position = centerPosition + offsets[2];
    v_uv = uvs[2];
    EmitVertex();

    gl_Position = centerPosition + offsets[3];
    v_uv = uvs[3];
    EmitVertex();

    // Finish the primitive (the quad)
    EndPrimitive();
}
            

              
                Copy
              
            
          

Fragmentų šešėliavimo programa

Fragmentų šešėliavimo programa dabar gali naudoti GS sugeneruotas UV koordinates tekstūrai pritaikyti.

            #version 300 es
precision mediump float;

in vec2 v_uv;
uniform sampler2D u_texture;
out vec4 outColor;

void main() {
    outColor = texture(u_texture, v_uv);
}
            

              
                Copy
              
            
          

Su šia sąranka galite nupiešti tūkstančius dalelių, tiesiog perduodami 3D taškų buferį į GPU. Geometrijos šešėliavimo programa atlieka sudėtingą užduotį išplėsti kiekvieną tašką į tekstūruotą keturkampį, žymiai sumažindama duomenų kiekį, kurį reikia įkelti iš CPU.

Praktinis pavyzdys Nr. 3: Primityvų transformacija - sprogstantys tinklai

Geometrijos šešėliavimo programos skirtos ne tik naujos geometrijos kūrimui; jos taip pat puikiai tinka esamų primityvų modifikavimui. Klasikinis efektas yra „sprogstantis tinklas“ (exploding mesh), kai kiekvienas modelio trikampis yra išstumiamas nuo centro.

Viršūnių šešėliavimo programa

Viršūnių šešėliavimo programa vėlgi yra labai paprasta. Mums tereikia perduoti viršūnės poziciją ir normalę į geometrijos šešėliavimo programą.

            #version 300 es

layout (location=0) in vec3 a_position;
layout (location=1) in vec3 a_normal;

// We don't need uniforms here because the GS will do the transform

out vec3 v_position;
out vec3 v_normal;

void main() {
    // Pass attributes directly to the Geometry Shader
    v_position = a_position;
    v_normal = a_normal;
    gl_Position = vec4(a_position, 1.0); // Temporary, GS will overwrite
}
            

              
                Copy
              
            
          

Geometrijos šešėliavimo programa

Čia mes apdorojame visą trikampį vienu metu. Mes apskaičiuojame jo geometrinę normalę ir tada išstumiame jo viršūnes išilgai tos normalės.

            #version 300 es

layout (triangles) in;
layout (triangle_strip, max_vertices = 3) out;

uniform mat4 u_modelViewProjection;
uniform float u_explodeAmount;

in vec3 v_position[]; // Input is now an array
in vec3 v_normal[];

out vec3 f_normal; // Pass normal to fragment shader for lighting

void main() {
    // Get the positions of the three vertices of the input triangle
    vec3 p0 = v_position[0];
    vec3 p1 = v_position[1];
    vec3 p2 = v_position[2];

    // Calculate the face normal (not using vertex normals)
    vec3 v01 = p1 - p0;
    vec3 v02 = p2 - p0;
    vec3 faceNormal = normalize(cross(v01, v02));

    // --- Emit first vertex ---
    // Move it along the normal by the explode amount
    vec4 newPos0 = u_modelViewProjection * vec4(p0 + faceNormal * u_explodeAmount, 1.0);
    gl_Position = newPos0;
    f_normal = v_normal[0]; // Use original vertex normal for smooth lighting
    EmitVertex();

    // --- Emit second vertex ---
    vec4 newPos1 = u_modelViewProjection * vec4(p1 + faceNormal * u_explodeAmount, 1.0);
    gl_Position = newPos1;
    f_normal = v_normal[1];
    EmitVertex();

    // --- Emit third vertex ---
    vec4 newPos2 = u_modelViewProjection * vec4(p2 + faceNormal * u_explodeAmount, 1.0);
    gl_Position = newPos2;
    f_normal = v_normal[2];
    EmitVertex();

    EndPrimitive();
}
            

              
                Copy
              
            
          

Valdydami `u_explodeAmount` uniform kintamąjį savo JavaScript kode (pavyzdžiui, su slankikliu ar pagal laiką), galite sukurti dinamišką ir vizualiai įspūdingą efektą, kai modelio sienos skrenda viena nuo kitos. Tai parodo GS gebėjimą atlikti skaičiavimus su visu primityvu, kad paveiktų jo galutinę formą.

Pažangūs naudojimo atvejai ir technikos

Be šių pagrindinių pavyzdžių, geometrijos šešėliavimo programos atveria galimybes įvairioms pažangioms atvaizdavimo technikoms.

• Procedūrinė geometrija: Generuokite žolę, kailį ar pelekus realiu laiku. Kiekvienam reljefo modelio įvesties trikampiui galite sugeneruoti kelis plonus, aukštus keturkampius, imituojančius žolės stiebus.
• Normalių ir liestinių vizualizacija: Fantastiškas derinimo įrankis. Kiekvienai viršūnei galite išvesti mažą linijos segmentą, orientuotą išilgai jos normalės, liestinės ar dvinormalės vektoriaus, padedantį vizualizuoti modelio paviršiaus savybes.
• Sluoksniuotas atvaizdavimas su `gl_Layer`: Tai labai efektyvi technika. Įdiegtasis išvesties kintamasis `gl_Layer` leidžia nurodyti, į kurį kadrų buferio masyvo sluoksnį ar į kurią kubo žemėlapio sieną turėtų būti atvaizduotas išvesties primityvas. Pagrindinis naudojimo atvejis yra įvairiakrypčių šešėlių žemėlapių (omnidirectional shadow maps) atvaizdavimas taškiniams šviesos šaltiniams. Galite priskirti kubo žemėlapį kadrų buferiui ir vienu piešimo kvietimu peržiūrėti visas 6 sienas geometrijos šešėliavimo programoje, nustatydami `gl_Layer` nuo 0 iki 5 ir projektuodami geometriją ant teisingos kubo sienos. Tai leidžia išvengti 6 atskirų piešimo kvietimų iš CPU.

Našumo išlyga: elkitės atsargiai

Su didele galia ateina ir didelė atsakomybė. Geometrijos šešėliavimo programas GPU aparatinei įrangai yra ypač sunku optimizuoti ir jos gali lengvai tapti našumo kliūtimi, jei naudojamos netinkamai.

Kodėl jos gali būti lėtos?

1. Paralelizmo sutrikdymas: GPU pasiekia savo greitį dėl masinio paralelizmo. Viršūnių šešėliavimo programos yra labai lygiagrečios, nes kiekviena viršūnė apdorojama nepriklausomai. Tačiau geometrijos šešėliavimo programa apdoroja primityvus nuosekliai savo mažoje grupėje, o išvesties dydis yra kintamas. Šis nenuspėjamumas sutrikdo GPU itin optimizuotą darbo eigą.
2. Atminties pralaidumas ir podėlio (cache) neefektyvumas: Į GS įvedama viso viršūnių šešėliavimo etapo išvestis primityvui. Tada GS išvestis perduodama rasterizatoriui. Šis tarpinis žingsnis gali perkrauti GPU podėlį, ypač jei GS žymiai išplečia geometriją („išplėtimo faktorius“ - amplification factor).
3. Tvarkyklės pridėtinės išlaidos: Kai kurioje aparatinėje įrangoje, ypač mobiliuosiuose GPU, kurie yra dažni WebGL taikiniai, geometrijos šešėliavimo programos naudojimas gali priversti tvarkyklę pasirinkti lėtesnį, mažiau optimizuotą kelią.

Kada turėtumėte naudoti geometrijos šešėliavimo programą?

Nepaisant įspėjimų, yra scenarijų, kai GS yra tinkamas įrankis:

• Mažas išplėtimo faktorius: Kai išvesties viršūnių skaičius nėra drastiškai didesnis už įvesties viršūnių skaičių (pvz., generuojant vieną keturkampį iš taško arba sprogdinant trikampį į kitą trikampį).
• CPU ribojamos aplikacijos: Jei jūsų kliūtis yra CPU, siunčiantis per daug piešimo kvietimų ar per daug duomenų, GS gali perkelti šį darbą į GPU. Sluoksniuotas atvaizdavimas yra puikus to pavyzdys.
• Algoritmai, reikalaujantys primityvų gretimumo: Efektams, kuriems reikia žinoti apie trikampio kaimynus, GS su gretimumo primityvais gali būti efektyvesnis nei sudėtingos kelių praėjimų technikos ar išankstinis duomenų apskaičiavimas CPU.

Alternatyvos geometrijos šešėliavimo programoms

Visada apsvarstykite alternatyvas prieš griebdamiesi geometrijos šešėliavimo programos, ypač jei našumas yra kritiškai svarbus:

• Atvaizdavimas su egzemplioriais (Instanced Rendering): Atvaizduojant didžiulį kiekį identiškų objektų (pvz., dalelių ar žolės stiebų), atvaizdavimas su egzemplioriais beveik visada yra greitesnis. Jūs pateikiate vieną tinklą ir egzempliorių duomenų buferį (pozicija, sukimasis, spalva), o GPU nupiešia visus egzempliorius vienu, itin optimizuotu kvietimu.
• Viršūnių šešėliavimo programos gudrybės: Galite pasiekti tam tikrą geometrijos išplėtimą viršūnių šešėliavimo programoje. Naudodami `gl_VertexID` ir `gl_InstanceID` bei mažą paieškos lentelę (pvz., uniform masyvą), galite priversti viršūnių šešėliavimo programą apskaičiuoti keturkampio kampų poslinkius vienu piešimo kvietimu, naudojant `gl.POINTS` kaip įvestį. Tai dažnai yra greičiau paprastam spraitų generavimui.
• Skaičiavimo šešėliavimo programos (Compute Shaders): (Nėra WebGL 2.0, bet svarbu kontekstui) Vietinėse API, tokiose kaip OpenGL, Vulkan ir DirectX, skaičiavimo šešėliavimo programos yra modernus, lankstesnis ir dažnai našesnis būdas atlikti bendrosios paskirties GPU skaičiavimus, įskaitant procedūrinės geometrijos generavimą į buferį.

Išvada: galingas ir niuansuotas įrankis

WebGL geometrijos šešėliavimo programos yra svarbus žiniatinklio grafikos įrankių rinkinio papildymas. Jos laužo standžią 1:1 įvesties/išvesties paradigmą, būdingą viršūnių šešėliavimo programoms, suteikdamos programuotojams galią dinamiškai kurti, modifikuoti ir atmesti geometrinius primityvus GPU. Nuo dalelių spraitų ir procedūrinių detalių generavimo iki labai efektyvių atvaizdavimo technikų, tokių kaip vieno praėjimo kubo žemėlapio atvaizdavimas, jų potencialas yra didžiulis.

Tačiau šia galia reikia naudotis suprantant jos poveikį našumui. Jos nėra universalus sprendimas visoms su geometrija susijusioms užduotims. Visada profiliuokite savo aplikaciją ir apsvarstykite alternatyvas, tokias kaip atvaizdavimas su egzemplioriais, kuris gali būti labiau tinkamas didelės apimties išplėtimui.

Suprasdami pagrindus, eksperimentuodami su praktiniais pritaikymais ir atsižvelgdami į našumą, galite efektyviai integruoti geometrijos šešėliavimo programas į savo WebGL 2.0 projektus, praplėsdami realaus laiko 3D grafikos galimybių ribas žiniatinklyje pasaulinei auditorijai.