WebGL okliuzijos užklausos: matomumo tikrinimas ir našumo optimizavimas

WebGL kūrimo srityje našumas yra svarbiausias dalykas. Sudėtingos scenos su daugybe objektų gali greitai apkrauti GPU, dėl ko krenta kadrų skaičius ir prastėja vartotojo patirtis. Viena galinga technika, skirta tai sušvelninti, yra okliuzijos atrinkimas (occlusion culling), kai objektai, paslėpti už kitų, nėra atvaizduojami, taip taupant brangų apdorojimo laiką. WebGL okliuzijos užklausos suteikia mechanizmą efektyviam objektų matomumo nustatymui, leidžiantį efektyviai atlikti okliuzijos atrinkimą.

Kas yra WebGL okliuzijos užklausos?

WebGL okliuzijos užklausa yra funkcija, leidžianti paklausti GPU, kiek fragmentų (pikselių) buvo nupiešta vykdant tam tikrą atvaizdavimo komandų rinkinį. Iš esmės, jūs pateikiate objekto piešimo komandas, o GPU jums pasako, ar kuris nors iš jo fragmentų praėjo gylio testą ir buvo realiai matomas. Ši informacija gali būti naudojama nustatyti, ar objektą užstoja kiti scenos objektai. Jei užklausa grąžina nulį (arba labai mažą skaičių), tai reiškia, kad objektas buvo visiškai (arba beveik visiškai) užstotas ir jo nereikia atvaizduoti sekančiuose kadruose. Ši technika žymiai sumažina atvaizdavimo apkrovą ir pagerina našumą, ypač sudėtingose scenose.

Kaip veikia okliuzijos užklausos: supaprastinta apžvalga

1. Sukurkite užklausos objektą: Pirmiausia sukuriate užklausos objektą naudodami gl.createQuery(). Šis objektas saugos okliuzijos užklausos rezultatus.
2. Pradėkite užklausą: Užklausą pradedate naudodami gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query). Tikslas gl.ANY_SAMPLES_PASSED nurodo, kad mus domina, ar bent vienas pavyzdys (fragmentas) praėjo gylio testą. Egzistuoja ir kiti tikslai, pavyzdžiui, gl.ANY_SAMPLES_PASSED_CONSERVATIVE (kuris pateikia konservatyvesnį rezultatą, galimai įtraukiant klaidingai teigiamus rezultatus geresniam našumui) ir gl.SAMPLES_PASSED (kuris skaičiuoja, kiek pavyzdžių praėjo gylio testą, pasenęs WebGL2).
3. Atvaizduokite potencialiai užstotą objektą: Tada iškviečiate piešimo komandas objektui, kurio matomumą norite patikrinti. Paprastai tai yra supaprastinta apgaubianti dėžė arba grubus objekto atvaizdas. Supaprastintos versijos atvaizdavimas sumažina pačios užklausos poveikį našumui.
4. Baikite užklausą: Užklausą baigiate naudodami gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED).
5. Gaukite užklausos rezultatą: Užklausos rezultatas nėra prieinamas iš karto. GPU reikia laiko apdoroti atvaizdavimo komandas ir nustatyti praėjusių fragmentų skaičių. Rezultatą galite gauti naudodami gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT).
6. Interpretuokite rezultatą: Jei užklausos rezultatas yra didesnis už nulį, tai reiškia, kad bent vienas objekto fragmentas buvo matomas. Jei rezultatas yra nulis, tai reiškia, kad objektas buvo visiškai užstotas.
7. Naudokite rezultatą okliuzijos atrinkimui: Remdamiesi užklausos rezultatu, galite nuspręsti, ar atvaizduoti visą, detalų objektą sekančiuose kadruose.

Okliuzijos užklausų naudojimo privalumai

• Pagerintas atvaizdavimo našumas: Vengiant atvaizduoti užstotus objektus, okliuzijos užklausos gali žymiai sumažinti atvaizdavimo apkrovą, o tai lemia didesnį kadrų dažnį ir sklandesnę vartotojo patirtį.
• Sumažinta GPU apkrova: Mažiau atvaizdavimo reiškia mažiau darbo GPU, o tai gali pagerinti baterijos veikimo laiką mobiliuosiuose įrenginiuose ir sumažinti šilumos generavimą stacionariuose kompiuteriuose.
• Pagerintas vizualinis tikslumas: Optimizuodami atvaizdavimo našumą, galite sau leisti atvaizduoti sudėtingesnes scenas su didesniu detalumu, neaukojant kadrų dažnio.
• Plėtojamumas: Okliuzijos užklausos yra ypač naudingos sudėtingoms scenoms su dideliu objektų skaičiumi, nes našumo padidėjimas auga kartu su scenos sudėtingumu.

Iššūkiai ir svarstymai

Nors okliuzijos užklausos siūlo didelių privalumų, yra ir tam tikrų iššūkių bei svarstymų, į kuriuos reikia atsižvelgti:

• Uždelsa (Latency): Okliuzijos užklausos sukelia uždelsą, nes užklausos rezultatas nėra prieinamas iš karto. GPU reikia laiko apdoroti atvaizdavimo komandas ir nustatyti praėjusių fragmentų skaičių. Ši uždelsa gali sukelti vizualinius artefaktus, jei nėra tinkamai valdoma.
• Užklausų pridėtinės išlaidos (Overhead): Okliuzijos užklausų vykdymas taip pat sukelia tam tikras pridėtines išlaidas. GPU turi sekti užklausos būseną ir skaičiuoti fragmentus, kurie praeina gylio testą. Šios pridėtinės išlaidos gali panaikinti našumo privalumus, jei užklausos nėra naudojamos apdairiai.
• Konservatyvi okliuzija: Siekiant sumažinti uždelsos poveikį, dažnai pageidautina naudoti konservatyvią okliuziją, kai objektai laikomi matomais, net jei matomas tik nedidelis fragmentų skaičius. Tai gali lemti dalinai užstotų objektų atvaizdavimą, tačiau išvengiama vizualinių artefaktų, kurie gali atsirasti naudojant agresyvų okliuzijos atrinkimą.
• Apgaubiančio tūrio pasirinkimas: Apgaubiančio tūrio (pvz., apgaubiančios dėžės, apgaubiančios sferos) pasirinkimas okliuzijos užklausai gali žymiai paveikti našumą. Paprastesnius apgaubiančius tūrius greičiau atvaizduoti, tačiau jie gali sukelti daugiau klaidingai teigiamų rezultatų (t. y. objektų, kurie laikomi matomais, nors yra beveik visiškai užstoti).
• Sinchronizacija: Užklausos rezultato gavimas reikalauja sinchronizacijos tarp CPU ir GPU. Ši sinchronizacija gali sukelti strigimus atvaizdavimo konvejeryje, o tai gali neigiamai paveikti našumą.
• Naršyklių ir aparatinės įrangos suderinamumas: Užtikrinkite, kad tikslinės naršyklės ir aparatinė įranga palaiko okliuzijos užklausas. Nors plačiai palaikoma, senesnėms sistemoms gali trūkti šios funkcijos, todėl reikalingi atsarginiai mechanizmai.

Geriausios WebGL okliuzijos užklausų naudojimo praktikos

Norėdami maksimaliai išnaudoti okliuzijos užklausų privalumus ir sumažinti iššūkius, apsvarstykite šias geriausias praktikas:

1. Naudokite supaprastintus apgaubiančius tūrius

Užuot atvaizdavę visą, detalų objektą okliuzijos užklausai, atvaizduokite supaprastintą apgaubiantį tūrį, pavyzdžiui, apgaubiančią dėžę ar sferą. Tai sumažina atvaizdavimo apkrovą ir pagreitina užklausos procesą. Apgaubiantis tūris turėtų glaudžiai apgaubti objektą, kad būtų kuo mažiau klaidingai teigiamų rezultatų.

Pavyzdys: Įsivaizduokite sudėtingą 3D automobilio modelį. Užuot atvaizdavę visą automobilio modelį okliuzijos užklausai, galėtumėte atvaizduoti paprastą apgaubiančią dėžę, kuri apima automobilį. Šią apgaubiančią dėžę bus daug greičiau atvaizduoti nei visą automobilio modelį.

2. Naudokite hierarchinį okliuzijos atrinkimą

Sudėtingoms scenoms apsvarstykite galimybę naudoti hierarchinį okliuzijos atrinkimą, kai objektus suskirstote į apgaubiančių tūrių hierarchiją. Tuomet galite pirmiausia atlikti okliuzijos užklausas aukštesnio lygio apgaubiantiems tūriams. Jei aukštesnio lygio apgaubiantis tūris yra užstotas, galite išvengti okliuzijos užklausų jo vaikiniams elementams. Tai gali žymiai sumažinti reikalingų okliuzijos užklausų skaičių.

Pavyzdys: Apsvarstykite sceną su miestu. Galėtumėte suskirstyti pastatus į blokus, o blokus – į rajonus. Tuomet galėtumėte pirmiausia atlikti okliuzijos užklausas rajonams. Jei rajonas yra užstotas, galite išvengti okliuzijos užklausų atskiriems blokams ir pastatams tame rajone.

3. Išnaudokite kadrų koherentiškumą

Okliuzijos užklausos pasižymi kadrų koherentiškumu, o tai reiškia, kad objekto matomumas greičiausiai bus panašus iš vieno kadro į kitą. Galite išnaudoti šį kadrų koherentiškumą išsaugodami užklausų rezultatus ir naudodami juos prognozuoti objektų matomumą sekančiuose kadruose. Tai gali sumažinti reikalingų okliuzijos užklausų skaičių ir pagerinti našumą.

Pavyzdys: Jei objektas buvo matomas ankstesniame kadre, galite daryti prielaidą, kad jis greičiausiai bus matomas ir dabartiniame kadre. Tuomet galite atidėti okliuzijos užklausos atlikimą tam objektui, kol jis greičiausiai bus užstotas (pvz., jei jis pasislinks už kito objekto).

4. Apsvarstykite konservatyvios okliuzijos naudojimą

Siekiant sumažinti uždelsos poveikį, apsvarstykite galimybę naudoti konservatyvią okliuziją, kai objektai laikomi matomais, net jei matomas tik nedidelis fragmentų skaičius. Tai galima pasiekti nustatant slenkstį užklausos rezultatui. Jei užklausos rezultatas viršija slenkstį, objektas laikomas matomu. Priešingu atveju, jis laikomas užstotu.

Pavyzdys: Galėtumėte nustatyti 10 fragmentų slenkstį. Jei užklausos rezultatas yra didesnis nei 10, objektas laikomas matomu. Priešingu atveju, jis laikomas užstotu. Tinkamas slenkstis priklausys nuo jūsų scenos objektų dydžio ir sudėtingumo.

5. Įgyvendinkite atsarginį mechanizmą

Ne visos naršyklės ir aparatinė įranga palaiko okliuzijos užklausas. Svarbu įgyvendinti atsarginį mechanizmą, kurį galima naudoti, kai okliuzijos užklausos nėra prieinamos. Tai galėtų būti paprastesnio okliuzijos atrinkimo algoritmo naudojimas arba tiesiog okliuzijos atrinkimo išjungimas.

Pavyzdys: Galėtumėte patikrinti, ar palaikomas EXT_occlusion_query_boolean plėtinys. Jei ne, galėtumėte pereiti prie paprasto atstumu pagrįsto atrinkimo algoritmo, kai objektai, esantys per toli nuo kameros, nėra atvaizduojami.

6. Optimizuokite atvaizdavimo konvejerį

Okliuzijos užklausos yra tik viena dėlionės dalis optimizuojant atvaizdavimo našumą. Taip pat svarbu optimizuoti likusią atvaizdavimo konvejerio dalį, įskaitant:

• Piešimo iškvietimų skaičiaus mažinimas: Piešimo iškvietimų grupavimas gali žymiai sumažinti atvaizdavimo pridėtines išlaidas.
• Efektyvių šešėliavimo programų (shaders) naudojimas: Šešėliavimo programų optimizavimas gali sumažinti laiką, praleidžiamą apdorojant kiekvieną viršūnę ir fragmentą.
• Mipmapping naudojimas: Mipmapping gali pagerinti tekstūrų filtravimo našumą.
• Perteikimo (overdraw) mažinimas: Perteikimas įvyksta, kai fragmentai piešiami vienas ant kito, eikvojant apdorojimo laiką.
• Instancijavimo (instancing) naudojimas: Instancijavimas leidžia atvaizduoti kelias to paties objekto kopijas vienu piešimo iškvietimu.

7. Asinchroninis užklausų rezultatų gavimas

Užklausos rezultato gavimas gali sukelti strigimus, jei GPU dar nebaigė apdoroti užklausos. Asinchroninių gavimo mechanizmų naudojimas, jei jie prieinami, gali padėti tai sušvelninti. Metodai gali apimti laukimą tam tikrą kadrų skaičių prieš gaunant rezultatą arba specialių darbininkų gijų (worker threads) naudojimą užklausų gavimo procesui tvarkyti, taip išvengiant pagrindinės atvaizdavimo gijos blokavimo.

Kodo pavyzdys: pagrindinis okliuzijos užklausos įgyvendinimas

Štai supaprastintas pavyzdys, demonstruojantis pagrindinį okliuzijos užklausų naudojimą WebGL:

// Sukurkite užklausos objektą const query = gl.createQuery(); // Pradėkite užklausą gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query); // Atvaizduokite objektą (pvz., apgaubiančią dėžę) gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, vertexCount); // Baikite užklausą gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED); // Asinchroniškai gaukite užklausos rezultatą (pavyzdys naudojant requestAnimationFrame) function checkQueryResult() { gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT_AVAILABLE, (available) => { if (available) { gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT, (result) => { const isVisible = result > 0; // Naudokite matomumo rezultatą, kad nuspręstumėte, ar atvaizduoti visą objektą if (isVisible) { renderFullObject(); } }); } else { requestAnimationFrame(checkQueryResult); } }); } requestAnimationFrame(checkQueryResult);

Pastaba: Tai yra supaprastintas pavyzdys, neapimantis klaidų tvarkymo, tinkamo išteklių valdymo ar pažangių optimizavimo metodų. Nepamirškite pritaikyti tai savo konkrečiai scenai ir reikalavimams. Klaidų tvarkymas, ypač susijęs su plėtinių palaikymu ir užklausų prieinamumu, yra labai svarbus gamybinėse aplinkose. Taip pat reikėtų atsižvelgti į pritaikymus, skirtus skirtingiems galimiems scenarijams valdyti.

Okliuzijos užklausos realaus pasaulio programose

Okliuzijos užklausos naudojamos įvairiose realaus pasaulio programose, įskaitant:

• Žaidimų kūrimas: Okliuzijos atrinkimas yra esminė technika atvaizdavimo našumui optimizuoti žaidimuose, ypač sudėtingose scenose su daugeliu objektų. Pavyzdžiai apima AAA klasės žaidimus, atvaizduojamus naršyklėje naudojant WebAssembly ir WebGL, taip pat internetinius laisvalaikio žaidimus su detaliomis aplinkomis.
• Architektūrinė vizualizacija: Okliuzijos užklausos gali būti naudojamos pagerinti architektūrinių vizualizacijų našumą, leidžiant vartotojams tyrinėti didelius ir detalius pastatų modelius realiuoju laiku. Įsivaizduokite virtualaus muziejaus tyrinėjimą su nesuskaičiuojamais eksponatais – okliuzijos atrinkimas užtikrina sklandų naršymą.
• Geografinės informacinės sistemos (GIS): Okliuzijos užklausos gali būti naudojamos optimizuoti didelių ir sudėtingų geografinių duomenų rinkinių, tokių kaip miestai ir kraštovaizdžiai, atvaizdavimą. Pavyzdžiui, 3D miestovaizdžių modelių vizualizavimas naršyklėje miesto planavimo simuliacijoms gali labai pasinaudoti okliuzijos atrinkimu.
• Medicininis vaizdavimas: Okliuzijos užklausos gali būti naudojamos pagerinti medicininio vaizdavimo programų našumą, leidžiant gydytojams vizualizuoti sudėtingas anatomines struktūras realiuoju laiku.
• Elektroninė prekyba: Svetainėse, pristatančiose 3D produktų modelius, okliuzijos užklausos gali padėti sumažinti GPU apkrovą, užtikrinant sklandesnę patirtį net ir mažiau galinguose įrenginiuose. Apsvarstykite sudėtingo baldo 3D modelio peržiūrą mobiliajame įrenginyje; okliuzijos atrinkimas gali padėti išlaikyti priimtiną kadrų dažnį.

Išvada

WebGL okliuzijos užklausos yra galingas įrankis atvaizdavimo našumui optimizuoti ir vartotojo patirčiai pagerinti interneto programose. Efektyviai atrinkdami užstotus objektus, galite sumažinti atvaizdavimo apkrovą, pagerinti kadrų dažnį ir įgalinti sudėtingesnes bei detalesnes scenas. Nors yra iššūkių, kuriuos reikia apsvarstyti, pavyzdžiui, uždelsa ir užklausų pridėtinės išlaidos, geriausių praktikų laikymasis ir kruopštus jūsų programos specifinių poreikių įvertinimas gali atskleisti visą okliuzijos užklausų potencialą. Įvaldę šias technikas, kūrėjai visame pasaulyje gali pateikti turtingesnes, labiau įtraukiančias ir našesnes internetines 3D patirtis.

Papildomi ištekliai

• WebGL specifikacija: Naujausią informaciją apie okliuzijos užklausas rasite oficialioje WebGL specifikacijoje.
• Khronos Group: Ieškokite Khronos Group svetainėje išteklių, susijusių su WebGL ir OpenGL ES.
• Internetiniai vadovėliai ir straipsniai: Ieškokite internetinių vadovėlių ir straipsnių apie WebGL okliuzijos užklausas, kad rastumėte praktinių pavyzdžių ir pažangių technikų.
• WebGL demonstracijos: Išnagrinėkite esamas WebGL demonstracijas, kuriose naudojamos okliuzijos užklausos, kad pasimokytumėte iš realaus pasaulio įgyvendinimų.