WebGL šešėliavimo programų susiejimas: kelių šešėliavimo programų surinkimo technika

WebGL stipriai priklauso nuo šešėliavimo programų (shaders) atliekant atvaizdavimo operacijas. Supratimas, kaip šešėliavimo programos yra kuriamos ir susiejamos, yra gyvybiškai svarbus norint optimizuoti našumą ir kurti sudėtingus vizualinius efektus. Šiame straipsnyje nagrinėjamos WebGL šešėliavimo programų susiejimo subtilybės, ypatingą dėmesį skiriant kelių šešėliavimo programų surinkimui – technikai, leidžiančiai efektyviai perjungti šešėliavimo programas.

WebGL atvaizdavimo konvejerio supratimas

Prieš gilinantis į šešėliavimo programų susiejimą, būtina suprasti pagrindinį WebGL atvaizdavimo konvejerį. Konvejerį galima konceptualiai padalyti į šiuos etapus:

• Viršūnių apdorojimas: Viršūnių šešėliavimo programa apdoroja kiekvieną 3D modelio viršūnę, transformuodama jos padėtį ir galbūt modifikuodama kitus viršūnių atributus.
• Rasterizavimas: Šiame etape apdorotos viršūnės paverčiamos fragmentais, kurie yra potencialūs pikseliai, piešiami ekrane.
• Fragmentų apdorojimas: Fragmentų šešėliavimo programa nustato kiekvieno fragmento spalvą. Čia taikomas apšvietimas, tekstūravimas ir kiti vizualiniai efektai.
• Kadrų buferio operacijos: Paskutiniame etape fragmentų spalvos sujungiamos su esamu kadrų buferio turiniu, taikant maišymą ir kitas operacijas galutiniam vaizdui sukurti.

Šešėliavimo programos, parašytos GLSL (OpenGL Shading Language), apibrėžia viršūnių ir fragmentų apdorojimo etapų logiką. Tada šios šešėliavimo programos kompiliuojamos ir susiejamos į šešėliavimo programą, kurią vykdo GPU.

Šešėliavimo programų kūrimas ir kompiliavimas

Pirmas žingsnis kuriant šešėliavimo programą yra parašyti šešėliavimo programos kodą GLSL kalba. Štai paprastas viršūnių šešėliavimo programos pavyzdys:

#version 300 es

in vec4 a_position;
uniform mat4 u_modelViewProjectionMatrix;

void main() {
  gl_Position = u_modelViewProjectionMatrix * a_position;
}

Ir atitinkama fragmentų šešėliavimo programa:

#version 300 es

precision highp float;

out vec4 fragColor;

void main() {
  fragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // Raudona
}

Šias šešėliavimo programas reikia sukompiliuoti į formatą, kurį suprastų GPU. WebGL API teikia funkcijas šešėliavimo programų kūrimui, kompiliavimui ir susiejimui.

function createShader(gl, type, source) {
  const shader = gl.createShader(type);
  gl.shaderSource(shader, source);
  gl.compileShader(shader);

  if (!gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS)) {
    console.error('An error occurred compiling the shaders: ' + gl.getShaderInfoLog(shader));
    gl.deleteShader(shader);
    return null;
  }

  return shader;
}

const vertexShader = createShader(gl, gl.VERTEX_SHADER, vertexShaderSource);
const fragmentShader = createShader(gl, gl.FRAGMENT_SHADER, fragmentShaderSource);

Šešėliavimo programų susiejimas

Kai šešėliavimo programos yra sukompiliuotos, jas reikia susieti į šešėliavimo programą. Šis procesas sujungia sukompiliuotas šešėliavimo programas ir išsprendžia bet kokias priklausomybes tarp jų. Susiejimo procesas taip pat priskiria vietas vienodiems kintamiesiems ir atributams.

function createProgram(gl, vertexShader, fragmentShader) {
  const program = gl.createProgram();
  gl.attachShader(program, vertexShader);
  gl.attachShader(program, fragmentShader);
  gl.linkProgram(program);

  if (!gl.getProgramParameter(program, gl.LINK_STATUS)) {
    console.error('Unable to initialize the shader program: ' + gl.getProgramInfoLog(program));
    return null;
  }

  return program;
}

const shaderProgram = createProgram(gl, vertexShader, fragmentShader);

Susiejus šešėliavimo programą, reikia nurodyti WebGL ją naudoti:

gl.useProgram(shaderProgram);

Ir tada galite nustatyti vienodus kintamuosius ir atributus:

const uModelViewProjectionMatrixLocation = gl.getUniformLocation(shaderProgram, 'u_modelViewProjectionMatrix');
const aPositionLocation = gl.getAttribLocation(shaderProgram, 'a_position');

Efektyvaus šešėliavimo programų valdymo svarba

Perjungimas tarp šešėliavimo programų gali būti gana brangi operacija. Kiekvieną kartą, kai iškviečiate gl.useProgram(), GPU turi perkonfigūruoti savo konvejerį, kad naudotų naują šešėliavimo programą. Tai gali sukelti našumo problemas, ypač scenose su daug skirtingų medžiagų ar vizualinių efektų.

Apsvarstykite žaidimą su skirtingais personažų modeliais, kurių kiekvienas turi unikalias medžiagas (pvz., audinys, metalas, oda). Jei kiekvienai medžiagai reikalinga atskira šešėliavimo programa, dažnas perjungimas tarp šių programų gali ženkliai paveikti kadrų dažnį. Panašiai, duomenų vizualizavimo programoje, kur skirtingi duomenų rinkiniai atvaizduojami su skirtingais vizualiniais stiliais, šešėliavimo programų perjungimo našumo kaštai gali tapti pastebimi, ypač su sudėtingais duomenų rinkiniais ir aukštos raiškos ekranais. Raktas į našias WebGL programas dažnai slypi efektyviame šešėliavimo programų valdyme.

Kelių šešėliavimo programų surinkimas: optimizavimo strategija

Kelių šešėliavimo programų surinkimas yra technika, kuria siekiama sumažinti šešėliavimo programų perjungimų skaičių, sujungiant kelias šešėliavimo programų variacijas į vieną „uber-šešėliavimo programą“. Ši uber-šešėliavimo programa apima visą būtiną logiką skirtingiems atvaizdavimo scenarijams, o vienodi kintamieji naudojami kontroliuoti, kurios šešėliavimo programos dalys yra aktyvios. Ši technika, nors ir galinga, turi būti kruopščiai įgyvendinta, kad būtų išvengta našumo sumažėjimo.

Kaip veikia kelių šešėliavimo programų surinkimas

Pagrindinė idėja yra sukurti šešėliavimo programą, galinčią valdyti kelis skirtingus atvaizdavimo režimus. Tai pasiekiama naudojant sąlyginius sakinius (pvz., if, else) ir vienodus kintamuosius, kad būtų kontroliuojama, kurios kodo dalys yra vykdomos. Tokiu būdu galima atvaizduoti skirtingas medžiagas ar vizualinius efektus nekeičiant šešėliavimo programų.

Iliustruokime tai supaprastintu pavyzdžiu. Tarkime, norite atvaizduoti objektą su difuziniu arba veidrodiniu apšvietimu. Užuot kūrę dvi atskiras šešėliavimo programas, galite sukurti vieną programą, palaikančią abu variantus:

Viršūnių šešėliavimo programa (bendra):

#version 300 es

in vec4 a_position;
in vec3 a_normal;

uniform mat4 u_modelViewProjectionMatrix;
uniform mat4 u_modelViewMatrix;
uniform mat4 u_normalMatrix;

out vec3 v_normal;
out vec3 v_position;

void main() {
  gl_Position = u_modelViewProjectionMatrix * a_position;
  v_position = vec3(u_modelViewMatrix * a_position);
  v_normal = normalize(vec3(u_normalMatrix * vec4(a_normal, 0.0)));
}

Fragmentų šešėliavimo programa (Uber-šešėliavimo programa):

#version 300 es

precision highp float;

in vec3 v_normal;
in vec3 v_position;

uniform vec3 u_lightDirection;
uniform vec3 u_diffuseColor;
uniform vec3 u_specularColor;
uniform float u_shininess;
uniform bool u_useSpecular;

out vec4 fragColor;

void main() {
  vec3 normal = normalize(v_normal);
  vec3 lightDir = normalize(u_lightDirection);
  float diffuse = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
  vec3 diffuseColor = diffuse * u_diffuseColor;

  vec3 specularColor = vec3(0.0);
  if (u_useSpecular) {
    vec3 viewDir = normalize(-v_position);
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);
    float specular = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), u_shininess);
    specularColor = specular * u_specularColor;
  }

  fragColor = vec4(diffuseColor + specularColor, 1.0);
}

Šiame pavyzdyje u_useSpecular vienodas kintamasis kontroliuoja, ar įjungtas veidrodinis apšvietimas. Jei u_useSpecular nustatytas į true, atliekami veidrodinio apšvietimo skaičiavimai; kitu atveju jie praleidžiami. Nustatydami teisingus vienodus kintamuosius, galite efektyviai perjungti tarp difuzinio ir veidrodinio apšvietimo, nekeisdami šešėliavimo programos.

Kelių šešėliavimo programų surinkimo privalumai

• Sumažintas šešėliavimo programų perjungimų skaičius: Pagrindinis privalumas yra gl.useProgram() iškvietimų skaičiaus sumažinimas, dėl ko pagerėja našumas, ypač atvaizduojant sudėtingas scenas ar animacijas.
• Supaprastintas būsenos valdymas: Mažesnis šešėliavimo programų skaičius gali supaprastinti būsenos valdymą jūsų programoje. Užuot sekę kelias šešėliavimo programas ir su jomis susijusius vienodus kintamuosius, jums tereikia valdyti vieną uber-šešėliavimo programą.
• Kodo pakartotinio naudojimo potencialas: Kelių šešėliavimo programų surinkimas gali paskatinti kodo pakartotinį naudojimą jūsų šešėliavimo programose. Bendri skaičiavimai ar funkcijos gali būti bendrinamos tarp skirtingų atvaizdavimo režimų, mažinant kodo dubliavimą ir gerinant palaikomumą.

Kelių šešėliavimo programų surinkimo iššūkiai

Nors kelių šešėliavimo programų surinkimas gali pasiūlyti didelių našumo privalumų, jis taip pat kelia keletą iššūkių:

• Padidėjęs šešėliavimo programų sudėtingumas: Uber-šešėliavimo programos gali tapti sudėtingos ir sunkiai palaikomos, ypač didėjant atvaizdavimo režimų skaičiui. Sąlyginė logika ir vienodų kintamųjų valdymas gali greitai tapti pribloškiantys.
• Našumo pridėtinės išlaidos: Sąlyginiai sakiniai šešėliavimo programose gali sukelti našumo pridėtines išlaidas, nes GPU gali tekti vykdyti kodo dalis, kurios iš tikrųjų nėra reikalingos. Svarbu profiliuoti savo šešėliavimo programas, kad įsitikintumėte, jog sumažinto šešėliavimo programų perjungimo nauda viršija sąlyginio vykdymo kainą. Šiuolaikinės GPU gerai prognozuoja šakas, kas šiek tiek sušvelnina šią problemą, tačiau vis tiek svarbu tai apsvarstyti.
• Šešėliavimo programos kompiliavimo laikas: Didelės, sudėtingos uber-šešėliavimo programos kompiliavimas gali užtrukti ilgiau nei kelių mažesnių šešėliavimo programų kompiliavimas. Tai gali paveikti pradinį jūsų programos įkėlimo laiką.
• Vienodų kintamųjų limitas: Egzistuoja apribojimai, kiek vienodų kintamųjų galima naudoti WebGL šešėliavimo programoje. Uber-šešėliavimo programa, bandanti įtraukti per daug funkcijų, gali viršyti šį limitą.

Geriausios kelių šešėliavimo programų surinkimo praktikos

Norėdami efektyviai naudoti kelių šešėliavimo programų surinkimą, apsvarstykite šias geriausias praktikas:

• Profiluokite savo šešėliavimo programas: Prieš įgyvendindami kelių šešėliavimo programų surinkimą, profiliuokite esamas šešėliavimo programas, kad nustatytumėte galimas našumo problemas. Naudokite WebGL profiliavimo įrankius, kad išmatuotumėte laiką, praleistą perjungiant šešėliavimo programas ir vykdant skirtingas šešėliavimo programų kodo dalis. Tai padės jums nustatyti, ar kelių šešėliavimo programų surinkimas yra tinkama optimizavimo strategija jūsų programai.
• Išlaikykite šešėliavimo programų moduliarumą: Net ir su uber-šešėliavimo programomis siekite moduliarumo. Suskaidykite savo šešėliavimo programos kodą į mažesnes, pakartotinai naudojamas funkcijas. Tai padarys jūsų šešėliavimo programas lengviau suprantamas, palaikomas ir derinamas.
• Apgalvotai naudokite vienodus kintamuosius: Sumažinkite vienodų kintamųjų skaičių savo uber-šešėliavimo programose. Grupuokite susijusius vienodus kintamuosius į struktūras, kad sumažintumėte bendrą skaičių. Apsvarstykite galimybę naudoti tekstūrų paieškas dideliems duomenų kiekiams saugoti vietoj vienodų kintamųjų.
• Minimizuokite sąlyginę logiką: Sumažinkite sąlyginės logikos kiekį savo šešėliavimo programose. Naudokite vienodus kintamuosius, kad kontroliuotumėte šešėliavimo programos elgseną, užuot rėmęsi sudėtingais if/else sakiniais. Jei įmanoma, iš anksto apskaičiuokite vertes JavaScript'e ir perduokite jas šešėliavimo programai kaip vienodus kintamuosius.
• Apsvarstykite šešėliavimo programų variantus: Kai kuriais atvejais gali būti efektyviau sukurti kelis šešėliavimo programų variantus vietoj vienos uber-šešėliavimo programos. Šešėliavimo programų variantai yra specializuotos šešėliavimo programos versijos, optimizuotos konkretiems atvaizdavimo scenarijams. Šis požiūris gali sumažinti jūsų šešėliavimo programų sudėtingumą ir pagerinti našumą. Naudokite preprocesorių, kad automatiškai generuotumėte variantus kūrimo metu, siekiant palaikyti kodą.
• Atsargiai naudokite #ifdef: Nors #ifdef gali būti naudojamas perjungti kodo dalis, pakeitus ifdef vertes, šešėliavimo programa yra perkompiliuojama, o tai kelia našumo problemų.

Pavyzdžiai iš realaus pasaulio

Keletas populiarių žaidimų variklių ir grafikos bibliotekų naudoja kelių šešėliavimo programų surinkimo technikas, siekdami optimizuoti atvaizdavimo našumą. Pavyzdžiui:

• Unity: Unity standartinė šešėliavimo programa (Standard Shader) naudoja uber-šešėliavimo programos metodą, kad apdorotų platų medžiagų savybių ir apšvietimo sąlygų spektrą. Ji viduje naudoja šešėliavimo programų variantus su raktažodžiais.
• Unreal Engine: Unreal Engine taip pat naudoja uber-šešėliavimo programas ir šešėliavimo programų permutacijas, kad valdytų skirtingas medžiagų variacijas ir atvaizdavimo funkcijas.
• Three.js: Nors Three.js aiškiai neprimeta kelių šešėliavimo programų surinkimo, ji suteikia įrankius ir technikas kūrėjams kurti pasirinktines šešėliavimo programas ir optimizuoti atvaizdavimo našumą. Naudodami pasirinktines medžiagas ir shaderMaterial, kūrėjai gali sukurti pasirinktines šešėliavimo programas, kurios išvengia nereikalingų šešėliavimo programų perjungimų.

Šie pavyzdžiai parodo kelių šešėliavimo programų surinkimo praktiškumą ir efektyvumą realiose programose. Suprasdami šiame straipsnyje aprašytus principus ir geriausias praktikas, galite pasinaudoti šia technika, kad optimizuotumėte savo WebGL projektus ir sukurtumėte vizualiai stulbinančias bei našias patirtis.

Pažangios technikos

Be pagrindinių principų, keletas pažangių technikų gali dar labiau padidinti kelių šešėliavimo programų surinkimo efektyvumą:

Šešėliavimo programų išankstinis kompiliavimas

Išankstinis jūsų šešėliavimo programų kompiliavimas gali žymiai sumažinti pradinį jūsų programos įkėlimo laiką. Užuot kompiliavę šešėliavimo programas vykdymo metu, galite jas sukompiliuoti neprisijungę ir saugoti sukompiliuotą baitkodą. Kai programa paleidžiama, ji gali tiesiogiai įkelti iš anksto sukompiliuotas šešėliavimo programas, išvengdama kompiliavimo pridėtinių išlaidų.

Šešėliavimo programų spartinančioji atmintis (Caching)

Šešėliavimo programų spartinančioji atmintis gali padėti sumažinti šešėliavimo programų kompiliavimų skaičių. Kai šešėliavimo programa yra sukompiliuota, sukompiliuotas baitkodas gali būti saugomas spartinančiojoje atmintyje. Jei ta pati šešėliavimo programa reikalinga vėl, ją galima paimti iš spartinančiosios atminties, o ne perkompiliuoti.

GPU instancijavimas

GPU instancijavimas leidžia atvaizduoti kelis to paties objekto egzempliorius vienu piešimo iškvietimu. Tai gali žymiai sumažinti piešimo iškvietimų skaičių, gerinant našumą. Kelių šešėliavimo programų surinkimas gali būti derinamas su GPU instancijavimu, siekiant dar labiau optimizuoti atvaizdavimo našumą.

Atidėtasis šešėliavimas

Atidėtasis šešėliavimas yra atvaizdavimo technika, kuri atskiria apšvietimo skaičiavimus nuo geometrijos atvaizdavimo. Tai leidžia atlikti sudėtingus apšvietimo skaičiavimus neapsiribojant šviesos šaltinių skaičiumi scenoje. Kelių šešėliavimo programų surinkimas gali būti naudojamas optimizuoti atidėtojo šešėliavimo konvejerį.

Išvados

WebGL šešėliavimo programų susiejimas yra esminis 3D grafikos kūrimo internete aspektas. Supratimas, kaip šešėliavimo programos kuriamos, kompiliuojamos ir susiejamos, yra gyvybiškai svarbus optimizuojant atvaizdavimo našumą ir kuriant sudėtingus vizualinius efektus. Kelių šešėliavimo programų surinkimas yra galinga technika, galinti sumažinti šešėliavimo programų perjungimų skaičių, pagerinti našumą ir supaprastinti būsenos valdymą. Laikydamiesi šiame straipsnyje aprašytų geriausių praktikų ir atsižvelgdami į iššūkius, galite efektyviai panaudoti kelių šešėliavimo programų surinkimą, kad sukurtumėte vizualiai stulbinančias ir našias WebGL programas pasaulinei auditorijai.

Atminkite, kad geriausias požiūris priklauso nuo konkrečių jūsų programos reikalavimų. Profiluokite savo kodą, eksperimentuokite su skirtingomis technikomis ir visada siekite subalansuoti našumą su kodo palaikomumu.