WebGL geometrijos instancinimas: efektyvaus pasikartojančių objektų atvaizdavimo atvėrimas globalioms patirtims

Plačiame šiuolaikinio žiniatinklio kūrimo peizaže labai svarbu kurti įtraukiančias ir našias 3D patirtis. Nuo įtraukiančių žaidimų ir sudėtingų duomenų vizualizacijų iki detalių architektūrinių apžvalgų ir interaktyvių produktų konfigūratorių – sodrios, realaus laiko grafikos paklausa nuolat auga. Dažnas iššūkis šiose programose yra daugybės identiškų ar labai panašių objektų atvaizdavimas – įsivaizduokite mišką su tūkstančiais medžių, miestą, pilną nesuskaičiuojamų pastatų, ar dalelių sistemą su milijonais atskirų elementų. Tradiciniai atvaizdavimo metodai dažnai neatlaiko šios apkrovos, todėl kadrų dažnis sulėtėja, o vartotojo patirtis tampa prastesnė, ypač globaliai auditorijai su įvairiomis aparatinės įrangos galimybėmis.

Čia WebGL geometrijos instancinimas (angl. Geometry Instancing) pasirodo kaip transformuojanti technika. Instancinimas yra galinga, GPU valdoma optimizacija, leidžianti kūrėjams atvaizduoti daugybę tų pačių geometrinių duomenų kopijų vos vienu piešimo kvietimu (angl. draw call). Drastiškai sumažinant ryšio tarp CPU ir GPU pridėtines išlaidas, instancinimas atveria precedento neturintį našumą, leidžiantį kurti didžiules, detalias ir labai dinamiškas scenas, kurios sklandžiai veikia įvairiuose įrenginiuose – nuo aukštos klasės darbo stočių iki kuklesnių mobiliųjų įrenginių, užtikrinant nuoseklią ir įtraukiančią patirtį vartotojams visame pasaulyje.

Šiame išsamiame vadove mes gilinsimės į WebGL geometrijos instancinimo pasaulį. Išnagrinėsime pagrindines problemas, kurias jis sprendžia, suprasime jo pagrindinę mechaniką, žingsnis po žingsnio aptarsime praktinį įgyvendinimą, aptarsime pažangias technikas ir pabrėšime jo didžiulius privalumus bei įvairias taikymo sritis įvairiose pramonės šakose. Nesvarbu, ar esate patyręs grafikos programuotojas, ar naujokas WebGL srityje, šis straipsnis suteiks jums žinių, kaip išnaudoti instancinimo galią ir pakelti savo žiniatinklio 3D programas į naujas efektyvumo ir vizualinio tikslumo aukštumas.

Atvaizdavimo kliūtis: kodėl instancinimas yra svarbus

Norint iš tiesų įvertinti geometrijos instancinimo galią, būtina suprasti tradiciniuose 3D atvaizdavimo procesuose esančias kliūtis. Kai norite atvaizduoti kelis objektus, net jei jie yra geometriškai identiški, įprastas metodas dažnai apima atskiro „piešimo kvietimo“ (draw call) atlikimą kiekvienam objektui. Piešimo kvietimas yra instrukcija iš CPU į GPU nupiešti primityvų (trikampių, linijų, taškų) rinkinį.

Apsvarstykite šiuos iššūkius:

• CPU-GPU ryšio pridėtinės išlaidos: Kiekvienas piešimo kvietimas sukelia tam tikras pridėtines išlaidas. CPU turi paruošti duomenis, nustatyti atvaizdavimo būsenas (šešėliavimo programas, tekstūras, buferių susiejimus) ir tada išduoti komandą GPU. Tūkstančiams objektų šis nuolatinis judėjimas tarp CPU ir GPU gali greitai perkrauti CPU, tapdamas pagrindine kliūtimi dar prieš GPU pradedant rimtai dirbti. Tai dažnai vadinama būsena, kai procesas yra „apribotas CPU našumu“ (CPU-bound).
• Būsenos pakeitimai: Tarp piešimo kvietimų, jei reikalingos skirtingos medžiagos, tekstūros ar šešėliavimo programos, GPU turi iš naujo sukonfigūruoti savo vidinę būseną. Šie būsenos pakeitimai nėra momentiniai ir gali sukelti papildomų vėlavimų, paveikdami bendrą atvaizdavimo našumą.
• Atminties dubliavimas: Be instancinimo, jei turėtumėte 1000 identiškų medžių, galėtumėte būti linkę įkelti 1000 jų viršūnių duomenų kopijų į GPU atmintį. Nors šiuolaikiniai varikliai yra protingesni, konceptualios pridėtinės išlaidos, susijusios su individualių instrukcijų valdymu ir siuntimu kiekvienam egzemplioriui, išlieka.

Bendra šių veiksnių įtaka yra ta, kad tūkstančių objektų atvaizdavimas naudojant atskirus piešimo kvietimus gali lemti ypač žemą kadrų dažnį, ypač įrenginiuose su mažiau galingais CPU ar ribotu atminties pralaidumu. Globalioms programoms, skirtoms įvairialypei vartotojų bazei, ši našumo problema tampa dar svarbesnė. Geometrijos instancinimas tiesiogiai sprendžia šiuos iššūkius, sujungdamas daugybę piešimo kvietimų į vieną, drastiškai sumažindamas CPU darbo krūvį ir leisdamas GPU dirbti efektyviau.

Kas yra WebGL geometrijos instancinimas?

Iš esmės WebGL geometrijos instancinimas yra technika, leidžianti GPU nupiešti tą patį viršūnių rinkinį kelis kartus naudojant vieną piešimo kvietimą, bet su unikaliais duomenimis kiekvienam „egzemplioriui“. Užuot siuntus visą geometriją ir jos transformacijos duomenis kiekvienam objektui atskirai, jūs siunčiate geometrijos duomenis vieną kartą, o tada pateikiate atskirą, mažesnį duomenų rinkinį (pvz., poziciją, pasukimą, mastelį ar spalvą), kuris skiriasi kiekvienam egzemplioriui.

Pagalvokite apie tai taip:

• Be instancinimo: Įsivaizduokite, kad kepate 1000 sausainių. Kiekvienam sausainiui iškočiojate tešlą, išpjaunate ta pačia formele, dedate ant skardos, dekoruojate individualiai ir dedate į orkaitę. Tai pasikartojantis ir daug laiko reikalaujantis procesas.
• Su instancinimu: Jūs vieną kartą iškočiojate didelį tešlos lakštą. Tada ta pačia formele išpjaunate 1000 sausainių vienu metu arba labai greitai, nebereikdami vėl ruošti tešlos. Kiekvienas sausainis gali gauti šiek tiek kitokią dekoraciją (duomenys pagal egzempliorių), tačiau pagrindinė forma (geometrija) yra bendra ir apdorojama efektyviai.

WebGL kontekste tai reiškia:

• Bendri viršūnių duomenys: 3D modelis (pvz., medis, automobilis, pastato blokas) yra apibrėžiamas vieną kartą naudojant standartinius viršūnių buferio objektus (VBO) ir potencialiai indeksų buferio objektus (IBO). Šie duomenys į GPU įkeliami vieną kartą.
• Duomenys pagal egzempliorių: Kiekvienai atskirai modelio kopijai pateikiate papildomus atributus. Šie atributai paprastai apima 4x4 transformacijos matricą (pozicijai, pasukimui ir masteliui), bet taip pat gali būti spalva, tekstūros poslinkiai ar bet kokia kita savybė, kuri skiria vieną egzempliorių nuo kito. Šie duomenys pagal egzempliorių taip pat įkeliami į GPU, bet, kas svarbiausia, jie konfigūruojami specialiu būdu.
• Vienas piešimo kvietimas: Užuot tūkstančius kartų kvietus gl.drawElements() ar gl.drawArrays(), naudojate specializuotus instancinimo piešimo kvietimus, tokius kaip gl.drawElementsInstanced() ar gl.drawArraysInstanced(). Šios komandos nurodo GPU: „Nupiešk šią geometriją N kartų ir kiekvienam egzemplioriui naudok kitą duomenų rinkinį pagal egzempliorių.“

Tada GPU efektyviai apdoroja bendrą geometriją kiekvienam egzemplioriui, taikydama unikalius duomenis pagal egzempliorių viršūnių šešėliavimo programoje. Tai ženkliai perkelia darbą iš CPU į labai lygiagretų GPU, kuris yra daug geriau pritaikytas tokioms pasikartojančioms užduotims, todėl našumas smarkiai pagerėja.

WebGL 1 prieš WebGL 2: instancinimo evoliucija

Geometrijos instancinimo prieinamumas ir įgyvendinimas skiriasi tarp WebGL 1.0 ir WebGL 2.0. Suprasti šiuos skirtumus yra labai svarbu kuriant patikimas ir plačiai suderinamas žiniatinklio grafikos programas.

WebGL 1.0 (su plėtiniu: ANGLE_instanced_arrays)

Kai buvo pristatytas WebGL 1.0, instancinimas nebuvo pagrindinė funkcija. Norėdami jį naudoti, kūrėjai turėjo pasikliauti tiekėjo plėtiniu: ANGLE_instanced_arrays. Šis plėtinys suteikia reikiamus API kvietimus, kad būtų galima įjungti instancuotą atvaizdavimą.

Pagrindiniai WebGL 1.0 instancinimo aspektai:

• Plėtinio atradimas: Turite aiškiai užklausti ir įjungti plėtinį naudodami gl.getExtension('ANGLE_instanced_arrays').
• Plėtiniui specifinės funkcijos: Instancinimo piešimo kvietimai (pvz., drawElementsInstancedANGLE) ir atributo daliklio funkcija (vertexAttribDivisorANGLE) turi priešdėlį ANGLE.
• Suderinamumas: Nors plačiai palaikomas šiuolaikinėse naršyklėse, pasikliovimas plėtiniu kartais gali sukelti nedidelių variacijų ar suderinamumo problemų senesnėse ar retesnėse platformose.
• Našumas: Vis tiek siūlo ženklų našumo padidėjimą, palyginti su neinstancuotu atvaizdavimu.

WebGL 2.0 (pagrindinė funkcija)

WebGL 2.0, kuris remiasi OpenGL ES 3.0, apima instancinimą kaip pagrindinę funkciją. Tai reiškia, kad nereikia aiškiai įjungti jokio plėtinio, o tai supaprastina kūrėjo darbo eigą ir užtikrina nuoseklų veikimą visose suderinamose WebGL 2.0 aplinkose.

Pagrindiniai WebGL 2.0 instancinimo aspektai:

• Nereikia plėtinio: Instancinimo funkcijos (gl.drawElementsInstanced, gl.drawArraysInstanced, gl.vertexAttribDivisor) yra tiesiogiai prieinamos WebGL atvaizdavimo kontekste.
• Garantuotas palaikymas: Jei naršyklė palaiko WebGL 2.0, ji garantuoja instancinimo palaikymą, todėl nereikia atlikti patikrinimų vykdymo metu.
• Šešėliavimo kalbos funkcijos: WebGL 2.0 GLSL ES 3.00 šešėliavimo kalba suteikia integruotą palaikymą gl_InstanceID, specialiam įvesties kintamajam viršūnių šešėliavimo programoje, kuris nurodo dabartinio egzemplioriaus indeksą. Tai supaprastina šešėliavimo programos logiką.
• Platesnės galimybės: WebGL 2.0 siūlo kitus našumo ir funkcijų patobulinimus (pvz., „Transform Feedback“, „Multiple Render Targets“ ir pažangesnius tekstūrų formatus), kurie gali papildyti instancinimą sudėtingose scenose.

Rekomendacija: Naujiems projektams ir maksimaliam našumui pasiekti labai rekomenduojama orientuotis į WebGL 2.0, jei platus naršyklių suderinamumas nėra absoliutus apribojimas (nes WebGL 2.0 palaikymas yra puikus, nors ir ne universalus). Jei platesnis suderinamumas su senesniais įrenginiais yra labai svarbus, gali prireikti atsarginio varianto su WebGL 1.0 ir ANGLE_instanced_arrays plėtiniu, arba hibridinio požiūrio, kai WebGL 2.0 yra teikiama pirmenybė, o WebGL 1.0 kelias naudojamas kaip atsarginis variantas.

Instancinimo mechanikos supratimas

Norint efektyviai įgyvendinti instancinimą, reikia suprasti, kaip GPU tvarko bendrus geometrijos ir egzempliorių duomenis.

Bendri geometrijos duomenys

Jūsų objekto geometrinis apibrėžimas (pvz., 3D uolos, personažo, transporto priemonės modelis) yra saugomas standartiniuose buferio objektuose:

• Viršūnių buferio objektai (VBO): Juose saugomi neapdoroti modelio viršūnių duomenys. Tai apima atributus, tokius kaip pozicija (a_position), normalių vektoriai (a_normal), tekstūros koordinatės (a_texCoord) ir potencialiai liestinės/beliestinės vektoriai. Šie duomenys į GPU įkeliami vieną kartą.
• Indeksų buferio objektai (IBO) / Elementų buferio objektai (EBO): Jei jūsų geometrija naudoja indeksuotą piešimą (kas yra labai rekomenduojama efektyvumui, nes išvengiama viršūnių duomenų dubliavimo bendroms viršūnėms), indeksai, kurie apibrėžia, kaip viršūnės sudaro trikampius, yra saugomi IBO. Šie duomenys taip pat įkeliami vieną kartą.

Naudojant instancinimą, GPU iteruoja per bendros geometrijos viršūnes kiekvienam egzemplioriui, taikydama egzemplioriui būdingas transformacijas ir kitus duomenis.

Duomenys pagal egzempliorių: diferenciacijos raktas

Štai kur instancinimas skiriasi nuo tradicinio atvaizdavimo. Užuot siuntę visas objekto savybes su kiekvienu piešimo kvietimu, mes sukuriame atskirą buferį (ar buferius), kuriuose saugomi duomenys, besikeičiantys kiekvienam egzemplioriui. Šie duomenys vadinami instancuotais atributais.

• Kas tai yra: Dažniausi atributai pagal egzempliorių yra:
  • Modelio matrica: 4x4 matrica, kuri sujungia poziciją, pasukimą ir mastelį kiekvienam egzemplioriui. Tai yra labiausiai paplitęs ir galingiausias atributas pagal egzempliorių.
  • Spalva: Unikali spalva kiekvienam egzemplioriui.
  • Tekstūros poslinkis/indeksas: Jei naudojamas tekstūrų atlasas ar masyvas, tai gali nurodyti, kurią tekstūros žemėlapio dalį naudoti konkrečiam egzemplioriui.
  • Individualūs duomenys: Bet kokie kiti skaitmeniniai duomenys, padedantys atskirti egzempliorius, pvz., fizikos būsena, gyvybės taškų vertė ar animacijos fazė.
• Kaip perduodama: instancuoti masyvai: Duomenys pagal egzempliorių saugomi viename ar keliuose VBO, kaip ir įprasti viršūnių atributai. Esminis skirtumas yra tai, kaip šie atributai konfigūruojami naudojant gl.vertexAttribDivisor().
• gl.vertexAttribDivisor(attributeLocation, divisor): Ši funkcija yra instancinimo kertinis akmuo. Ji nurodo WebGL, kaip dažnai atributas turėtų būti atnaujinamas:
  • Jei divisor yra 0 (numatytoji vertė įprastiems atributams), atributo vertė keičiasi kiekvienai viršūnei.
  • Jei divisor yra 1, atributo vertė keičiasi kiekvienam egzemplioriui. Tai reiškia, kad visoms vieno egzemplioriaus viršūnėms atributas naudos tą pačią vertę iš buferio, o kitam egzemplioriui pereis prie kitos vertės buferyje.
  • Kitos divisor reikšmės (pvz., 2, 3) yra įmanomos, bet rečiau naudojamos, nurodant, kad atributas keičiasi kas N egzempliorių.
  4x4 modelio matricai, kuriai reikia 4 atributų vietų (po vieną kiekvienam vec4 stulpeliui), kiekvieno iš šių 4 atributų daliklis būtų nustatytas į 1.
• gl_InstanceID šešėliavimo programose: Viršūnių šešėliavimo programoje (ypač WebGL 2.0 GLSL ES 3.00), integruotas įvesties kintamasis pavadinimu gl_InstanceID suteikia dabartinio atvaizduojamo egzemplioriaus indeksą. Tai nepaprastai naudinga norint tiesiogiai pasiekti duomenis pagal egzempliorių iš masyvo arba apskaičiuoti unikalias vertes remiantis egzemplioriaus indeksu. WebGL 1.0 atveju, gl_InstanceID paprastai perduotumėte kaip kintamąjį (varying) iš viršūnių į fragmentų šešėliavimo programą arba, dažniau, tiesiog pasikliautumėte egzempliorių atributais, nereikalaudami aiškaus ID, jei visi reikalingi duomenys jau yra atributuose.

Naudojant šiuos mechanizmus, GPU gali efektyviai gauti geometriją vieną kartą ir kiekvienam egzemplioriui sujungti ją su unikaliomis savybėmis, atitinkamai transformuojant ir šešėliuojant. Būtent ši lygiagretaus apdorojimo galimybė daro instancinimą tokį galingą labai sudėtingoms scenoms.

WebGL geometrijos instancinimo įgyvendinimas (kodo pavyzdžiai)

Panagrinėkime supaprastintą WebGL geometrijos instancinimo įgyvendinimą. Daugiausia dėmesio skirsime kelių paprastos formos (pvz., kubo) egzempliorių atvaizdavimui su skirtingomis pozicijomis ir spalvomis. Šis pavyzdys daro prielaidą, kad turite pagrindinį supratimą apie WebGL konteksto nustatymą ir šešėliavimo programų kompiliavimą.

1. Pagrindinis WebGL kontekstas ir šešėliavimo programa

Pirmiausia nustatykite savo WebGL 2.0 kontekstą ir pagrindinę šešėliavimo programą.

Viršūnių šešėliavimo programa (vertexShaderSource):

#version 300 es layout(location = 0) in vec4 a_position; layout(location = 1) in vec4 a_color; layout(location = 2) in mat4 a_modelMatrix; uniform mat4 u_viewProjectionMatrix; out vec4 v_color; void main() { v_color = a_color; gl_Position = u_viewProjectionMatrix * a_modelMatrix * a_position; }

Fragmentų šešėliavimo programa (fragmentShaderSource):

#version 300 es precision highp float; in vec4 v_color; out vec4 outColor; void main() { outColor = v_color; }

Atkreipkite dėmesį į a_modelMatrix atributą, kuris yra mat4. Tai bus mūsų atributas pagal egzempliorių. Kadangi mat4 užima keturias vec4 vietas, jis naudos 2, 3, 4 ir 5 vietas atributų sąraše. `a_color` čia taip pat yra atributas pagal egzempliorių.

2. Sukurkite bendrus geometrijos duomenis (pvz., kubą)

Apibrėžkite paprasto kubo viršūnių pozicijas. Dėl paprastumo naudosime tiesioginį masyvą, bet realioje programoje naudotumėte indeksuotą piešimą su IBO.

const positions = [ // Priekinė siena -0.5, -0.5, 0.5, 0.5, -0.5, 0.5, 0.5, 0.5, 0.5, -0.5, -0.5, 0.5, 0.5, 0.5, 0.5, -0.5, 0.5, 0.5, // Galinė siena -0.5, -0.5, -0.5, -0.5, 0.5, -0.5, 0.5, 0.5, -0.5, -0.5, -0.5, -0.5, 0.5, 0.5, -0.5, 0.5, -0.5, -0.5, // Viršutinė siena -0.5, 0.5, -0.5, -0.5, 0.5, 0.5, 0.5, 0.5, 0.5, -0.5, 0.5, -0.5, 0.5, 0.5, 0.5, 0.5, 0.5, -0.5, // Apatinė siena -0.5, -0.5, -0.5, 0.5, -0.5, -0.5, 0.5, -0.5, 0.5, -0.5, -0.5, -0.5, 0.5, -0.5, 0.5, -0.5, -0.5, 0.5, // Dešinė siena 0.5, -0.5, -0.5, 0.5, 0.5, -0.5, 0.5, 0.5, 0.5, 0.5, -0.5, -0.5, 0.5, 0.5, 0.5, 0.5, -0.5, 0.5, // Kairė siena -0.5, -0.5, -0.5, -0.5, -0.5, 0.5, -0.5, 0.5, 0.5, -0.5, -0.5, -0.5, -0.5, 0.5, 0.5, -0.5, 0.5, -0.5 ]; const positionBuffer = gl.createBuffer(); gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer); gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(positions), gl.STATIC_DRAW); // Nustatykite viršūnės atributo poziciją (vieta 0) gl.enableVertexAttribArray(0); gl.vertexAttribPointer(0, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0); gl.vertexAttribDivisor(0, 0); // Daliklis 0: atributas keičiasi kiekvienai viršūnei

3. Sukurkite duomenis pagal egzempliorių (matricas ir spalvas)

Sugeneruokite transformacijos matricas ir spalvas kiekvienam egzemplioriui. Pavyzdžiui, sukurkime 1000 egzempliorių, išdėstytų tinklelyje.

const numInstances = 1000; const instanceMatrices = new Float32Array(numInstances * 16); // 16 float'ų vienai mat4 const instanceColors = new Float32Array(numInstances * 4); // 4 float'ai vienam vec4 (RGBA) // Užpildykite egzempliorių duomenis for (let i = 0; i < numInstances; ++i) { const matrixOffset = i * 16; const colorOffset = i * 4; const x = (i % 30) * 1.5 - 22.5; // Pavyzdinis tinklelio išdėstymas const y = Math.floor(i / 30) * 1.5 - 22.5; const z = (Math.sin(i * 0.1) * 5); const rotation = i * 0.05; // Pavyzdinis pasukimas const scale = 0.5 + Math.sin(i * 0.03) * 0.2; // Pavyzdinis mastelis // Sukurkite modelio matricą kiekvienam egzemplioriui (naudojant matematikos biblioteką, pvz., gl-matrix) const m = mat4.create(); mat4.translate(m, m, [x, y, z]); mat4.rotateY(m, m, rotation); mat4.scale(m, m, [scale, scale, scale]); // Nukopijuokite matricą į mūsų instanceMatrices masyvą instanceMatrices.set(m, matrixOffset); // Priskirkite atsitiktinę spalvą kiekvienam egzemplioriui instanceColors[colorOffset + 0] = Math.random(); instanceColors[colorOffset + 1] = Math.random(); instanceColors[colorOffset + 2] = Math.random(); instanceColors[colorOffset + 3] = 1.0; // Alfa } // Sukurkite ir užpildykite egzempliorių duomenų buferius const instanceMatrixBuffer = gl.createBuffer(); gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, instanceMatrixBuffer); gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, instanceMatrices, gl.DYNAMIC_DRAW); // Naudokite DYNAMIC_DRAW, jei duomenys keičiasi const instanceColorBuffer = gl.createBuffer(); gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, instanceColorBuffer); gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, instanceColors, gl.DYNAMIC_DRAW);

4. Susiekite VBO pagal egzempliorių su atributais ir nustatykite daliklius

Tai yra kritinis instancinimo žingsnis. Mes nurodome WebGL, kad šie atributai keičiasi vieną kartą per egzempliorių, o ne vieną kartą per viršūnę.

// Nustatykite egzemplioriaus spalvos atributą (vieta 1) gl.enableVertexAttribArray(1); gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, instanceColorBuffer); gl.vertexAttribPointer(1, 4, gl.FLOAT, false, 0, 0); gl.vertexAttribDivisor(1, 1); // Daliklis 1: atributas keičiasi per egzempliorių // Nustatykite egzemplioriaus modelio matricos atributą (vietos 2, 3, 4, 5) // mat4 yra 4 vec4, todėl mums reikia 4 atributų vietų. const matrixLocation = 2; // Pradinė vieta a_modelMatrix gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, instanceMatrixBuffer); for (let i = 0; i < 4; ++i) { gl.enableVertexAttribArray(matrixLocation + i); gl.vertexAttribPointer( matrixLocation + i, // vieta 4, // dydis (vec4) gl.FLOAT, // tipas false, // normalizuoti 16 * 4, // žingsnis (stride) (sizeof(mat4) = 16 float'ų * 4 baitai/float) i * 4 * 4 // poslinkis (offset) (poslinkis kiekvienam vec4 stulpeliui) ); gl.vertexAttribDivisor(matrixLocation + i, 1); // Daliklis 1: atributas keičiasi per egzempliorių }

5. Instancuotas piešimo kvietimas

Galiausiai, atvaizduokite visus egzempliorius vienu piešimo kvietimu. Čia mes piešiame 36 viršūnes (6 sienos * 2 trikampiai/sienai * 3 viršūnės/trikampiui) vienam kubui, numInstances kartų.

function render() { // ... (atnaujinkite viewProjectionMatrix ir įkelkite uniform) gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT); // Naudokite šešėliavimo programą gl.useProgram(program); // Susiekite geometrijos buferį (pozicija) - jau susietas atributo nustatymui gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer); // Atributai pagal egzempliorių jau yra susieti ir nustatyti dalijimui // Tačiau, jei egzempliorių duomenys atnaujinami, juos reikėtų iš naujo įkelti čia // gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, instanceMatrixBuffer); // gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, instanceMatrices, gl.DYNAMIC_DRAW); gl.drawArraysInstanced( gl.TRIANGLES, // režimas 0, // pirma viršūnė 36, // skaičius (viršūnių per egzempliorių, kubas turi 36) numInstances // instanceCount ); requestAnimationFrame(render); } render(); // Pradėkite atvaizdavimo ciklą

Ši struktūra parodo pagrindinius principus. Bendras positionBuffer yra nustatytas su dalikliu 0, o tai reiškia, kad jo vertės naudojamos nuosekliai kiekvienai viršūnei. instanceColorBuffer ir instanceMatrixBuffer yra nustatyti su dalikliu 1, o tai reiškia, kad jų vertės gaunamos vieną kartą per egzempliorių. Tada gl.drawArraysInstanced kvietimas efektyviai atvaizduoja visus kubus vienu ypu.

Pažangios instancinimo technikos ir aspektai

Nors pagrindinis įgyvendinimas suteikia didžiulį našumo pranašumą, pažangios technikos gali dar labiau optimizuoti ir pagerinti instancuotą atvaizdavimą.

Egzempliorių atmetimas (culling)

Tūkstančių ar milijonų objektų atvaizdavimas, net ir su instancinimu, vis dar gali būti sudėtingas, jei didelė jų dalis yra už kameros matymo lauko (frustum) arba užstota kitų objektų. Atmetimo įgyvendinimas gali žymiai sumažinti GPU darbo krūvį.

• Žiūrėjimo piramidės atmetimas (Frustum Culling): Ši technika apima patikrinimą, ar kiekvieno egzemplioriaus ribojantis tūris (pvz., ribojanti dėžė ar sfera) kertasi su kameros matymo piramide. Jei egzempliorius yra visiškai už piramidės ribų, jo duomenis galima pašalinti iš egzempliorių duomenų buferio prieš atvaizdavimą. Tai sumažina instanceCount piešimo kvietime.
  • Įgyvendinimas: Dažnai atliekamas CPU. Prieš atnaujinant egzempliorių duomenų buferį, iteruokite per visus potencialius egzempliorius, atlikite piramidės testą ir į buferį pridėkite tik matomų egzempliorių duomenis.
  • Našumo kompromisas: Nors tai taupo GPU darbą, pati CPU atmetimo logika gali tapti kliūtimi esant ypač dideliam egzempliorių skaičiui. Milijonams egzempliorių ši CPU kaina gali panaikinti kai kuriuos instancinimo privalumus.
• Užstojimo atmetimas (Occlusion Culling): Tai sudėtingesnė technika, kuria siekiama išvengti egzempliorių, paslėptų už kitų objektų, atvaizdavimo. Tai paprastai atliekama GPU naudojant technikas, tokias kaip hierarchinis Z buferizavimas arba atvaizduojant ribojančias dėžes, siekiant užklausti GPU apie matomumą. Tai peržengia pagrindinio instancinimo vadovo ribas, bet yra galinga optimizacija tankioms scenoms.

Egzempliorių detalumo lygis (LOD)

Tolimiems objektams aukštos raiškos modeliai dažnai yra nereikalingi ir eikvojantys resursus. LOD sistemos dinamiškai perjungia skirtingas modelio versijas (skirtingas daugiakampių skaičiumi ir tekstūrų detalumu) atsižvelgiant į egzemplioriaus atstumą nuo kameros.

• Įgyvendinimas: Tai galima pasiekti turint kelis bendrų geometrijos buferių rinkinius (pvz., cube_high_lod_positions, cube_medium_lod_positions, cube_low_lod_positions).
• Strategija: Sugrupuokite egzempliorius pagal reikiamą LOD. Tada atlikite atskirus instancuotus piešimo kvietimus kiekvienai LOD grupei, susiedami atitinkamą geometrijos buferį kiekvienai grupei. Pavyzdžiui, visi egzemplioriai, esantys 50 vienetų atstumu, naudoja LOD 0, 50-200 vienetų atstumu – LOD 1, o toliau nei 200 vienetų – LOD 2.
• Privalumai: Išlaiko vizualinę kokybę artimiems objektams, tuo pačiu sumažinant tolimų objektų geometrinį sudėtingumą, žymiai padidinant GPU našumą.

Dinaminis instancinimas: efektyvus egzempliorių duomenų atnaujinimas

Daugelyje programų reikalaujama, kad egzemplioriai judėtų, keistų spalvą ar animuotųsi laikui bėgant. Dažnas egzempliorių duomenų buferio atnaujinimas yra labai svarbus.

• Buferio naudojimas: Kuriant egzempliorių duomenų buferius, naudokite gl.DYNAMIC_DRAW arba gl.STREAM_DRAW vietoj gl.STATIC_DRAW. Tai nurodo GPU tvarkyklei, kad duomenys bus dažnai atnaujinami.
• Atnaujinimo dažnis: Savo atvaizdavimo cikle modifikuokite instanceMatrices ar instanceColors masyvus CPU ir tada iš naujo įkelkite visą masyvą (arba dalį, jei keičiasi tik keli egzemplioriai) į GPU naudodami gl.bufferData() arba gl.bufferSubData().
• Našumo aspektai: Nors egzempliorių duomenų atnaujinimas yra efektyvus, pakartotinis labai didelių buferių įkėlimas vis tiek gali tapti kliūtimi. Optimizuokite atnaujindami tik pasikeitusias dalis arba naudodami technikas, tokias kaip keli buferio objektai (ping-ponging), kad išvengtumėte GPU sustabdymo.

Grupavimas (batching) prieš instancinimą

Svarbu atskirti grupavimą nuo instancinimo, nes abu metodai siekia sumažinti piešimo kvietimų skaičių, bet yra pritaikyti skirtingiems scenarijams.

• Grupavimas (Batching): Sujungia kelių skirtingų (ar panašių, bet ne identiškų) objektų viršūnių duomenis į vieną didesnį viršūnių buferį. Tai leidžia juos nupiešti vienu piešimo kvietimu. Naudinga objektams, kurie dalijasi medžiagomis, bet turi skirtingas geometrijas ar unikalias transformacijas, kurių negalima lengvai išreikšti kaip atributų pagal egzempliorių.
  • Pavyzdys: Sujungti kelias unikalias pastato dalis į vieną tinklelį, kad būtų galima atvaizduoti sudėtingą pastatą vienu piešimo kvietimu.
• Instancinimas: Piešia tą pačią geometriją kelis kartus su skirtingais atributais pagal egzempliorių. Idealiai tinka tikrai identiškoms geometrijoms, kur keičiasi tik kelios savybės kiekvienai kopijai.
  • Pavyzdys: Atvaizduoti tūkstančius identiškų medžių, kiekvienas su skirtinga pozicija, pasukimu ir masteliu.
• Kombinuotas požiūris: Dažnai geriausių rezultatų duoda grupavimo ir instancinimo derinys. Pavyzdžiui, sugrupuoti skirtingas sudėtingo medžio dalis į vieną tinklelį, o tada instancuoti visą tą sugrupuotą medį tūkstančius kartų.

Našumo metrikos

Norint iš tiesų suprasti instancinimo poveikį, stebėkite pagrindinius našumo rodiklius:

• Piešimo kvietimai: Tiesioginis rodiklis. Instancinimas turėtų dramatiškai sumažinti šį skaičių.
• Kadrų dažnis (FPS): Aukštesnis FPS rodo geresnį bendrą našumą.
• CPU naudojimas: Instancinimas paprastai sumažina CPU šuolius, susijusius su atvaizdavimu.
• GPU naudojimas: Nors instancinimas perkelia darbą į GPU, tai taip pat reiškia, kad GPU atlieka daugiau darbo per piešimo kvietimą. Stebėkite GPU kadrų laikus, kad įsitikintumėte, jog dabar nesate apriboti GPU našumu.

WebGL geometrijos instancinimo privalumai

WebGL geometrijos instancinimo pritaikymas suteikia daugybę privalumų žiniatinklio 3D programoms, paveikdamas viską nuo kūrimo efektyvumo iki galutinio vartotojo patirties.

• Ženkliai sumažintas piešimo kvietimų skaičius: Tai yra pagrindinis ir labiausiai tiesioginis privalumas. Pakeitus šimtus ar tūkstančius individualių piešimo kvietimų vienu instancuotu kvietimu, CPU pridėtinės išlaidos drastiškai sumažėja, o tai lemia daug sklandesnį atvaizdavimo procesą.
• Mažesnės CPU pridėtinės išlaidos: CPU praleidžia mažiau laiko ruošdamas ir teikdamas atvaizdavimo komandas, atlaisvindamas išteklius kitoms užduotims, tokioms kaip fizikos simuliacijos, žaidimo logika ar vartotojo sąsajos atnaujinimai. Tai labai svarbu norint išlaikyti interaktyvumą sudėtingose scenose.
• Pagerintas GPU panaudojimas: Šiuolaikiniai GPU yra sukurti labai lygiagrečiam apdorojimui. Instancinimas tiesiogiai išnaudoja šią stiprybę, leisdamas GPU vienu metu ir efektyviai apdoroti daugybę tos pačios geometrijos egzempliorių, o tai lemia greitesnį atvaizdavimo laiką.
• Leidžia kurti didžiulio sudėtingumo scenas: Instancinimas suteikia kūrėjams galią kurti scenas su žymiai daugiau objektų, nei anksčiau buvo įmanoma. Įsivaizduokite judrų miestą su tūkstančiais automobilių ir pėsčiųjų, tankų mišką su milijonais lapų ar mokslines vizualizacijas, vaizduojančias didžiulius duomenų rinkinius – visa tai atvaizduojama realiu laiku žiniatinklio naršyklėje.
• Didesnis vizualinis tikslumas ir realizmas: Leisdamas atvaizduoti daugiau objektų, instancinimas tiesiogiai prisideda prie turtingesnių, labiau įtraukiančių ir tikroviškesnių 3D aplinkų kūrimo. Tai tiesiogiai virsta patrauklesnėmis patirtimis vartotojams visame pasaulyje, nepriklausomai nuo jų aparatinės įrangos galios.
• Sumažintas atminties naudojimas: Nors duomenys pagal egzempliorių yra saugomi, pagrindiniai geometrijos duomenys įkeliami tik vieną kartą, sumažinant bendrą atminties suvartojimą GPU, kas gali būti labai svarbu įrenginiams su ribota atmintimi.
• Supaprastintas turto valdymas: Užuot valdę unikalius išteklius kiekvienam panašiam objektui, galite sutelkti dėmesį į vieną, aukštos kokybės bazinį modelį ir tada naudoti instancinimą scenai užpildyti, supaprastindami turinio kūrimo procesą.

Šie privalumai kartu prisideda prie greitesnių, patikimesnių ir vizualiai stulbinančių žiniatinklio programų, kurios gali sklandžiai veikti įvairiuose klientų įrenginiuose, didinant prieinamumą ir vartotojų pasitenkinimą visame pasaulyje.

Dažnos klaidos ir trikčių šalinimas

Nors instancinimas yra galingas, jis gali sukelti naujų iššūkių. Štai keletas dažnų klaidų ir patarimų trikčių šalinimui:

• Neteisingas gl.vertexAttribDivisor() nustatymas: Tai yra dažniausias klaidų šaltinis. Jei atributas, skirtas instancinimui, nėra nustatytas su dalikliu 1, jis arba naudos tą pačią vertę visiems egzemplioriams (jei tai yra globalus uniform), arba iteruos per viršūnes, sukeldamas vizualinius artefaktus ar neteisingą atvaizdavimą. Dukart patikrinkite, ar visų atributų pagal egzempliorių daliklis yra nustatytas į 1.
• Atributų vietų neatitikimas matricoms: mat4 reikalauja keturių iš eilės einančių atributų vietų. Įsitikinkite, kad jūsų šešėliavimo programos layout(location = X) matricai atitinka tai, kaip nustatote gl.vertexAttribPointer kvietimus matrixLocation ir matrixLocation + 1, +2, +3.
• Duomenų sinchronizavimo problemos (dinaminis instancinimas): Jei jūsų egzemplioriai neatnaujinami teisingai arba atrodo, kad „šokinėja“, įsitikinkite, kad iš naujo įkeliate savo egzempliorių duomenų buferį į GPU (gl.bufferData arba gl.bufferSubData), kai tik pasikeičia duomenys CPU pusėje. Taip pat įsitikinkite, kad buferis yra susietas prieš atnaujinant.
• Šešėliavimo programos kompiliavimo klaidos, susijusios su gl_InstanceID: Jei naudojate gl_InstanceID, įsitikinkite, kad jūsų šešėliavimo programa yra #version 300 es (WebGL 2.0 atveju) arba kad teisingai įjungėte ANGLE_instanced_arrays plėtinį ir galbūt perdavėte egzemplioriaus ID rankiniu būdu kaip atributą WebGL 1.0 atveju.
• Našumas nepagerėja kaip tikėtasi: Jei jūsų kadrų dažnis ženkliai nepadidėja, gali būti, kad instancinimas nesprendžia jūsų pagrindinės kliūties. Profiliavimo įrankiai (pvz., naršyklės kūrėjo įrankių našumo skirtukas ar specializuoti GPU profiliuotojai) gali padėti nustatyti, ar jūsų programa vis dar yra apribota CPU (pvz., dėl pernelyg didelių fizikos skaičiavimų, JavaScript logikos ar sudėtingo atmetimo), ar kyla kita GPU kliūtis (pvz., sudėtingos šešėliavimo programos, per daug daugiakampių, tekstūrų pralaidumas).
• Dideli egzempliorių duomenų buferiai: Nors instancinimas yra efektyvus, ypač dideli egzempliorių duomenų buferiai (pvz., milijonai egzempliorių su sudėtingais duomenimis pagal egzempliorių) vis tiek gali sunaudoti daug GPU atminties ir pralaidumo, potencialiai tapdami kliūtimi duomenų įkėlimo ar gavimo metu. Apsvarstykite atmetimą, LOD arba savo duomenų pagal egzempliorių dydžio optimizavimą.
• Atvaizdavimo tvarka ir skaidrumas: Skaidriems egzemplioriams atvaizdavimo tvarka gali tapti sudėtinga. Kadangi visi egzemplioriai piešiami vienu piešimo kvietimu, įprastas atvaizdavimas iš galo į priekį skaidrumui nėra tiesiogiai įmanomas kiekvienam egzemplioriui. Sprendimai dažnai apima egzempliorių rūšiavimą CPU ir tada surūšiuotų egzempliorių duomenų perkėlimą, arba naudojant nuo tvarkos nepriklausomas skaidrumo technikas.

Kruopštus derinimas ir dėmesys detalėms, ypač susijusioms su atributų konfigūracija, yra raktas į sėkmingą instancinimo įgyvendinimą.

Realaus pasaulio taikymo sritys ir globalus poveikis

Praktinės WebGL geometrijos instancinimo taikymo sritys yra plačios ir nuolat plečiasi, skatindamos inovacijas įvairiuose sektoriuose ir praturtindamos skaitmenines patirtis vartotojams visame pasaulyje.

• Žaidimų kūrimas: Tai bene ryškiausia taikymo sritis. Instancinimas yra būtinas atvaizduojant:
  • Plačias aplinkas: Miškus su tūkstančiais medžių ir krūmų, besidriekiančius miestus su nesuskaičiuojamais pastatais ar atviro pasaulio peizažus su įvairiomis uolų formacijomis.
  • Minias ir armijas: Užpildant scenas daugybe personažų, kiekvienas galbūt su subtiliais pozicijos, orientacijos ir spalvos skirtumais, suteikiant gyvybės virtualiems pasauliams.
  • Dalelių sistemas: Milijonai dalelių dūmams, ugniai, lietui ar magiškiems efektams, visos atvaizduojamos efektyviai.
  Ši galimybė leidžia žiniatinklio žaidimams pasiūlyti konsolės lygio grafiką ir detalumą, pritraukiant pasaulinę žaidėjų bazę jų pageidaujamuose įrenginiuose.
• Duomenų vizualizacija: Vaizduojant didelius duomenų rinkinius, instancinimas suteikia galingą įrankį:
  • Sklaidos diagramos: Milijonų duomenų taškų vizualizavimas (pvz., kaip mažos sferos ar kubai), kur kiekvieno taško pozicija, spalva ir dydis gali atspindėti skirtingas duomenų dimensijas.
  • Molekulinės struktūros: Sudėtingų molekulių su šimtais ar tūkstančiais atomų ir ryšių atvaizdavimas, kur kiekvienas yra sferos ar cilindro egzempliorius.
  • Geopastoriniai duomenys: Rodant miestus, populiacijas ar aplinkos duomenis dideliuose geografiniuose regionuose, kur kiekvienas duomenų taškas yra instancuotas vizualinis žymeklis.
  Šios vizualizacijos padeda mokslininkams, analitikams ir sprendimų priėmėjams visame pasaulyje intuityviau interpretuoti sudėtingą informaciją.
• Architektūrinė ir inžinerinė vizualizacija:
  • Didelės struktūros: Efektyvus pasikartojančių struktūrinių elementų, tokių kaip sijos, kolonos, langai ar sudėtingi fasado raštai dideliuose pastatuose ar pramonės įmonėse, atvaizdavimas.
  • Miestų planavimas: Architektūrinių modelių užpildymas simboliniais medžiais, žibintais ir transporto priemonėmis, siekiant suteikti mastelio ir aplinkos pojūtį.
  Tai leidžia architektams ir inžinieriams visame pasaulyje kurti ir dalytis labai detaliais, interaktyviais 3D savo projektų modeliais, neaukojant našumo.
• Interaktyvūs produktų konfigūratoriai: Pramonės šakoms, tokioms kaip automobilių, baldų ar mados, kur klientai pritaiko produktus 3D formatu:
  • Komponentų variacijos: Rodant daugybę identiškų komponentų (pvz., varžtų, kniedžių, pasikartojančių raštų) ant produkto.
  • Masinės gamybos simuliacijos: Vizualizuojant, kaip produktas galėtų atrodyti, kai gaminamas dideliais kiekiais.
  Tai pagerina internetinės prekybos patirtį visame pasaulyje, leidžiant klientams tyrinėti ir personalizuoti produktus su dideliu tikslumu.
• Simuliacijos ir moksliniai skaičiavimai:
  • Agentais pagrįsti modeliai: Simuliuojant didelio skaičiaus individualių agentų (pvz., paukščių pulkų, eismo srautų, minios dinamikos) elgesį, kur kiekvienas agentas yra instancuotas vizualinis vaizdas.
  • Skysčių dinamika: Vizualizuojant dalelėmis pagrįstas skysčių simuliacijas.
  Šios programos suteikia mokslininkams ir tyrėjams visame pasaulyje galimybę vizualizuoti sudėtingus reiškinius ir efektyviai dalytis savo išvadomis.

Kiekvienoje iš šių sričių WebGL geometrijos instancinimas pašalina reikšmingą kliūtį kuriant turtingas, interaktyvias ir didelio našumo žiniatinklio patirtis. Padarydamas pažangų 3D atvaizdavimą prieinamą ir efektyvų įvairioje aparatinėje įrangoje, jis demokratizuoja galingus vizualizacijos įrankius ir skatina inovacijas pasauliniu mastu.

Išvados

WebGL geometrijos instancinimas yra kertinė efektyvaus 3D atvaizdavimo žiniatinklyje technika. Ji tiesiogiai sprendžia seną problemą, kaip optimaliu našumu atvaizduoti daugybę pasikartojančių objektų, paversdama tai, kas anksčiau buvo kliūtis, galinga galimybe. Išnaudodamas lygiagretų GPU apdorojimo pajėgumą ir sumažindamas CPU-GPU ryšį, instancinimas suteikia kūrėjams galimybę kurti neįtikėtinai detalias, plačias ir dinamiškas scenas, kurios sklandžiai veikia įvairiuose įrenginiuose, nuo stacionarių kompiuterių iki mobiliųjų telefonų, aptarnaujant išties pasaulinę auditoriją.

Nuo didžiulių žaidimų pasaulių užpildymo ir masinių duomenų rinkinių vizualizavimo iki sudėtingų architektūrinių modelių projektavimo ir turtingų produktų konfigūratorių kūrimo – geometrijos instancinimo taikymo sritys yra įvairios ir paveikios. Šios technikos įsisavinimas yra ne tik optimizavimas; tai yra naujos kartos įtraukiančių ir didelio našumo žiniatinklio patirčių įgalinimas.

Nesvarbu, ar kuriate pramogoms, švietimui, mokslui ar komercijai, WebGL geometrijos instancinimo įvaldymas bus neįkainojamas turtas jūsų įrankių rinkinyje. Mes skatiname jus eksperimentuoti su aptartomis koncepcijomis ir kodo pavyzdžiais, integruojant juos į savo projektus. Kelionė į pažangiąją žiniatinklio grafiką yra naudinga, o su tokiomis technikomis kaip instancinimas, galimybės, kurias galima pasiekti tiesiogiai naršyklėje, toliau plečiasi, stumdamos interaktyvaus skaitmeninio turinio ribas visiems ir visur.