WebGL Transform Feedback Varying: Detalizēta virsotņu atribūtu uztveršana

Transform Feedback ir jaudīga WebGL funkcija, kas ļauj uztvert virsotņu ēnotāju izvades datus un izmantot tos kā ievades datus nākamajiem renderēšanas posmiem. Šī tehnika paver iespējas plašam progresīvu renderēšanas efektu un ģeometrijas apstrādes uzdevumu klāstam tieši uz GPU. Viens no būtiskiem Transform Feedback aspektiem ir izpratne par to, kā norādīt, kuri virsotņu atribūti ir jāuztver, kas pazīstami kā "varying". Šī rokasgrāmata sniedz visaptverošu pārskatu par WebGL Transform Feedback, koncentrējoties uz virsotņu atribūtu uztveršanu, izmantojot varying.

Kas ir Transform Feedback?

Tradicionāli WebGL renderēšana ietver virsotņu datu nosūtīšanu uz GPU, to apstrādi ar virsotņu un fragmentu ēnotājiem un rezultējošo pikseļu attēlošanu ekrānā. Virsotņu ēnotāja izvades dati pēc apgriešanas (clipping) un perspektīvas dalīšanas parasti tiek atmesti. Transform Feedback maina šo paradigmu, ļaujot jums pārtvert un saglabāt šos rezultātus pēc virsotņu ēnotāja atpakaļ bufera objektā.

Iedomājieties scenāriju, kurā vēlaties simulēt daļiņu fiziku. Jūs varētu atjaunināt daļiņu pozīcijas uz CPU un nosūtīt atjauninātos datus atpakaļ uz GPU renderēšanai katrā kadrā. Transform Feedback piedāvā efektīvāku pieeju, veicot fizikas aprēķinus (izmantojot virsotņu ēnotāju) uz GPU un tieši uztverot atjauninātās daļiņu pozīcijas atpakaļ buferī, kas ir gatavs nākamā kadra renderēšanai. Tas samazina CPU noslodzi un uzlabo veiktspēju, īpaši sarežģītām simulācijām.

Transform Feedback pamatjēdzieni

• Virsotņu ēnotājs (Vertex Shader): Transform Feedback kodols. Virsotņu ēnotājs veic aprēķinus, kuru rezultāti tiek uztverti.
• Varying mainīgie: Šie ir izvades mainīgie no virsotņu ēnotāja, kurus vēlaties uztvert. Tie definē, kuri virsotņu atribūti tiek ierakstīti atpakaļ bufera objektā.
• Bufera objekti (Buffer Objects): Krātuve, kurā tiek ierakstīti uztvertie virsotņu atribūti. Šie buferi tiek piesaistīti Transform Feedback objektam.
• Transform Feedback objekts: WebGL objekts, kas pārvalda virsotņu atribūtu uztveršanas procesu. Tas definē mērķa buferus un varying mainīgos.
• Primitīvu režīms (Primitive Mode): Norāda primitīvu (punkti, līnijas, trīsstūri) tipu, ko ģenerē virsotņu ēnotājs. Tas ir svarīgi pareizam bufera izkārtojumam.

Transform Feedback iestatīšana WebGL

Transform Feedback izmantošanas process ietver vairākus soļus:

1. Izveidojiet un konfigurējiet Transform Feedback objektu:

   Izmantojiet gl.createTransformFeedback(), lai izveidotu Transform Feedback objektu. Pēc tam piesaistiet to, izmantojot gl.bindTransformFeedback(gl.TRANSFORM_FEEDBACK, transformFeedback).

2. Izveidojiet un piesaistiet bufera objektus:

   Izveidojiet bufera objektus ar gl.createBuffer(), lai uzglabātu uztvertos virsotņu atribūtus. Piesaistiet katru bufera objektu gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER mērķim, izmantojot gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, index, buffer). `index` atbilst varying mainīgo secībai, kas norādīta ēnotāja programmā.

3. Norādiet Varying mainīgos:

   Šis ir izšķirošs solis. Pirms ēnotāja programmas saistīšanas (linking), jums jāpaziņo WebGL, kuri izvades mainīgie (varying mainīgie) no virsotņu ēnotāja ir jāuztver. Izmantojiet gl.transformFeedbackVaryings(program, varyings, bufferMode).

   • program: Ēnotāja programmas objekts.
   • varyings: Vairāku virkņu masīvs, kur katra virkne ir varying mainīgā nosaukums virsotņu ēnotājā. Šo mainīgo secība ir svarīga, jo tā nosaka bufera piesaistes indeksu.
   • bufferMode: Norāda, kā varying mainīgie tiek ierakstīti bufera objektos. Izplatītākās opcijas ir gl.SEPARATE_ATTRIBS (katrs varying tiek ierakstīts atsevišķā buferī) un gl.INTERLEAVED_ATTRIBS (visi varying mainīgie tiek ierakstīti mijotā secībā vienā buferī).
4. Izveidojiet un kompilējiet ēnotājus:

   Izveidojiet virsotņu un fragmentu ēnotājus. Virsotņu ēnotājam ir jāizvada varying mainīgie, kurus vēlaties uztvert. Fragmentu ēnotājs var būt vai nebūt nepieciešams atkarībā no jūsu lietojumprogrammas. Tas varētu būt noderīgs atkļūdošanai.

5. Saistiet ēnotāja programmu:

   Saistiet ēnotāja programmu, izmantojot gl.linkProgram(program). Ir svarīgi izsaukt gl.transformFeedbackVaryings() *pirms* programmas saistīšanas.

6. Sāciet un beidziet Transform Feedback:

   Lai sāktu virsotņu atribūtu uztveršanu, izsauciet gl.beginTransformFeedback(primitiveMode), kur primitiveMode norāda ģenerējamo primitīvu tipu (piemēram, gl.POINTS, gl.LINES, gl.TRIANGLES). Pēc renderēšanas izsauciet gl.endTransformFeedback(), lai pārtrauktu uztveršanu.

7. Zīmējiet ģeometriju:

   Izmantojiet gl.drawArrays() vai gl.drawElements(), lai renderētu ģeometriju. Virsotņu ēnotājs tiks izpildīts, un norādītie varying mainīgie tiks uztverti bufera objektos.

Piemērs: daļiņu pozīciju uztveršana

Ilustrēsim to ar vienkāršu piemēru, uztverot daļiņu pozīcijas. Pieņemsim, ka mums ir virsotņu ēnotājs, kas atjaunina daļiņu pozīcijas, pamatojoties uz ātrumu un gravitāciju.

Virsotņu ēnotājs (particle.vert)

#version 300 es

in vec3 a_position;

in vec3 a_velocity;

uniform float u_timeStep;

out vec3 v_position;

out vec3 v_velocity;

void main() {
 vec3 gravity = vec3(0.0, -9.8, 0.0);
 v_velocity = a_velocity + gravity * u_timeStep;
 v_position = a_position + v_velocity * u_timeStep;

 gl_Position = vec4(v_position, 1.0);
}

Šis virsotņu ēnotājs kā ievades atribūtus pieņem a_position un a_velocity. Tas aprēķina katras daļiņas jauno ātrumu un pozīciju, saglabājot rezultātus v_position un v_velocity varying mainīgajos. `gl_Position` tiek iestatīta uz jauno pozīciju renderēšanai.

JavaScript kods

// ... WebGL konteksta inicializācija ...

// 1. Izveidot Transform Feedback objektu
const transformFeedback = gl.createTransformFeedback();
gl.bindTransformFeedback(gl.TRANSFORM_FEEDBACK, transformFeedback);

// 2. Izveidot bufera objektus pozīcijai un ātrumam
const positionBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, particlePositions, gl.DYNAMIC_COPY); // Sākotnējās daļiņu pozīcijas

const velocityBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, velocityBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, particleVelocities, gl.DYNAMIC_COPY); // Sākotnējie daļiņu ātrumi

// 3. Norādīt Varying mainīgos
const varyings = ['v_position', 'v_velocity'];
gl.transformFeedbackVaryings(program, varyings, gl.SEPARATE_ATTRIBS);  // Jāizsauc *pirms* programmas saistīšanas.

// 4. Izveidot un kompilēt ēnotājus (saīsinājuma dēļ izlaists)
// ...

// 5. Saistīt ēnotāja programmu
gl.linkProgram(program);

// Piesaistīt Transform Feedback buferus
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, positionBuffer);  // Indekss 0 priekš v_position
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 1, velocityBuffer);  // Indekss 1 priekš v_velocity

// Iegūt atribūtu atrašanās vietas
const positionLocation = gl.getAttribLocation(program, 'a_position');
const velocityLocation = gl.getAttribLocation(program, 'a_velocity');

// --- Renderēšanas cikls --- 
function render() {
 gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

 gl.useProgram(program);

 // Iespējot atribūtus
 gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
gl.vertexAttribPointer(positionLocation, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(positionLocation);

 gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, velocityBuffer);
gl.vertexAttribPointer(velocityLocation, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(velocityLocation);

 // 6. Sākt Transform Feedback
 gl.enable(gl.RASTERIZER_DISCARD); // Atspējot rasterizāciju
gl.beginTransformFeedback(gl.POINTS);

 // 7. Zīmēt ģeometriju
 gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, numParticles);

 // 8. Beigt Transform Feedback
 gl.endTransformFeedback();
gl.disable(gl.RASTERIZER_DISCARD); // Atkal iespējot rasterizāciju

 // Apmainīt buferus (pēc izvēles, ja vēlaties renderēt punktus)
 // Piemēram, atkārtoti renderēt atjaunināto pozīcijas buferi.

 requestAnimationFrame(render);
}

render();

Šajā piemērā:

• Mēs izveidojam divus bufera objektus, vienu daļiņu pozīcijām un otru ātrumiem.
• Mēs norādām v_position un v_velocity kā varying mainīgos.
• Mēs piesaistām pozīcijas buferi pie Transform Feedback buferu indeksa 0 un ātruma buferi pie indeksa 1.
• Mēs atspējojam rasterizāciju, izmantojot gl.enable(gl.RASTERIZER_DISCARD), jo mēs vēlamies tikai uztvert virsotņu atribūtu datus; mēs nevēlamies neko renderēt šajā posmā. Tas ir svarīgi veiktspējai.
• Mēs izsaucam gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, numParticles), lai izpildītu virsotņu ēnotāju katrai daļiņai.
• Atjauninātās daļiņu pozīcijas un ātrumi tiek uztverti bufera objektos.
• Pēc Transform Feedback posma jūs varētu apmainīt ievades un izvades buferus un renderēt daļiņas, pamatojoties uz atjauninātajām pozīcijām.

Varying mainīgie: detaļas un apsvērumi

`varyings` parametrs funkcijā `gl.transformFeedbackVaryings()` ir virkņu masīvs, kas attēlo to izvades mainīgo nosaukumus no jūsu virsotņu ēnotāja, kurus vēlaties uztvert. Šiem mainīgajiem ir:

• Jābūt deklarētiem kā out mainīgajiem virsotņu ēnotājā.
• Jābūt atbilstošam datu tipam starp virsotņu ēnotāja izvadi un bufera objekta krātuvi. Piemēram, ja varying mainīgais ir vec3, atbilstošajam bufera objektam jābūt pietiekami lielam, lai uzglabātu vec3 vērtības visām virsotnēm.
• Jābūt pareizā secībā. Secība `varyings` masīvā nosaka bufera piesaistes indeksu. Pirmais varying tiks ierakstīts bufera indeksā 0, otrais - indeksā 1, un tā tālāk.

Datu izlīdzināšana un bufera izkārtojums

Datu izlīdzināšanas izpratne ir būtiska pareizai Transform Feedback darbībai. Uztverto virsotņu atribūtu izkārtojums bufera objektos ir atkarīgs no bufferMode parametra funkcijā `gl.transformFeedbackVaryings()`:

• gl.SEPARATE_ATTRIBS: Katrs varying mainīgais tiek ierakstīts atsevišķā bufera objektā. Bufera objekts, kas piesaistīts indeksam 0, saturēs visas vērtības pirmajam varying, bufera objekts, kas piesaistīts indeksam 1, saturēs visas vērtības otrajam varying, un tā tālāk. Šis režīms parasti ir vienkāršāk saprotams un atkļūdojams.
• gl.INTERLEAVED_ATTRIBS: Visi varying mainīgie tiek ierakstīti mijotā secībā vienā bufera objektā. Piemēram, ja jums ir divi varying mainīgie, v_position (vec3) un v_velocity (vec3), buferis saturēs secību vec3 (pozīcija), vec3 (ātrums), vec3 (pozīcija), vec3 (ātrums), un tā tālāk. Šis režīms var būt efektīvāks noteiktos lietošanas gadījumos, īpaši, ja uztvertie dati tiks izmantoti kā mijoti virsotņu atribūti nākamajā renderēšanas posmā.

Atbilstoši datu tipi

Varying mainīgo datu tipiem virsotņu ēnotājā jābūt saderīgiem ar bufera objektu uzglabāšanas formātu. Piemēram, ja jūs deklarējat varying mainīgo kā out vec3 v_color, jums jānodrošina, ka bufera objekts ir pietiekami liels, lai uzglabātu vec3 vērtības (parasti peldošā punkta vērtības) visām virsotnēm. Nesaderīgi datu tipi var radīt neparedzētus rezultātus vai kļūdas.

Rastra iznīcināšanas (Rasterizer Discard) pārvaldība

Lietojot Transform Feedback tikai virsotņu atribūtu datu uztveršanai (un nevis kaut kā renderēšanai sākotnējā posmā), ir svarīgi atspējot rasterizāciju, izmantojot gl.enable(gl.RASTERIZER_DISCARD), pirms izsaukt gl.beginTransformFeedback(). Tas neļauj GPU veikt nevajadzīgas rasterizācijas darbības, kas var ievērojami uzlabot veiktspēju. Atcerieties atkal iespējot rasterizāciju, izmantojot gl.disable(gl.RASTERIZER_DISCARD), pēc gl.endTransformFeedback() izsaukšanas, ja plānojat kaut ko renderēt nākamajā posmā.

Transform Feedback pielietojuma gadījumi

Transform Feedback ir daudz pielietojumu WebGL renderēšanā, tostarp:

• Daļiņu sistēmas: Kā parādīts piemērā, Transform Feedback ir ideāli piemērots daļiņu pozīciju, ātrumu un citu atribūtu atjaunināšanai tieši uz GPU, nodrošinot efektīvas daļiņu simulācijas.
• Ģeometrijas apstrāde: Jūs varat izmantot Transform Feedback, lai veiktu ģeometrijas transformācijas, piemēram, tīkla (mesh) deformāciju, sadalīšanu vai vienkāršošanu, pilnībā uz GPU. Iedomājieties tēla modeļa deformēšanu animācijai.
• Šķidrumu dinamika: Šķidruma plūsmas simulāciju uz GPU var panākt ar Transform Feedback. Atjauniniet šķidruma daļiņu pozīcijas un ātrumus, un pēc tam izmantojiet atsevišķu renderēšanas posmu, lai vizualizētu šķidrumu.
• Fizikas simulācijas: Vispārīgāk, jebkura fizikas simulācija, kas prasa virsotņu atribūtu atjaunināšanu, var gūt labumu no Transform Feedback. Tas varētu ietvert auduma simulāciju, cietu ķermeņu dinamiku vai citus uz fiziku balstītus efektus.
• Punktu mākoņu apstrāde: Uztveriet apstrādātus datus no punktu mākoņiem vizualizācijai vai analīzei. Tas var ietvert filtrēšanu, izlīdzināšanu vai pazīmju izvilkšanu uz GPU.
• Pielāgoti virsotņu atribūti: Aprēķiniet pielāgotus virsotņu atribūtus, piemēram, normāļu vektorus vai tekstūras koordinātas, pamatojoties uz citiem virsotņu datiem. Tas varētu būt noderīgi procesuālās ģenerēšanas tehnikām.
• Atliktās ēnošanas (Deferred Shading) priekš-posmi: Uztveriet pozīcijas un normāļu datus G-buferos atliktās ēnošanas konveijeriem. Šī tehnika ļauj veikt sarežģītākus apgaismojuma aprēķinus.

Veiktspējas apsvērumi

Lai gan Transform Feedback var piedāvāt ievērojamus veiktspējas uzlabojumus, ir svarīgi ņemt vērā šādus faktorus:

• Bufera objekta izmērs: Pārliecinieties, ka bufera objekti ir pietiekami lieli, lai uzglabātu visus uztvertos virsotņu atribūtus. Piešķiriet pareizo izmēru, pamatojoties uz virsotņu skaitu un varying mainīgo datu tipiem.
• Datu pārsūtīšanas virsizdevumi: Izvairieties no nevajadzīgas datu pārsūtīšanas starp CPU un GPU. Izmantojiet Transform Feedback, lai veiktu pēc iespējas vairāk apstrādes uz GPU.
• Rastra iznīcināšana (Rasterization Discard): Iespējojiet gl.RASTERIZER_DISCARD, kad Transform Feedback tiek izmantots tikai datu uztveršanai.
• Ēnotāja sarežģītība: Optimizējiet virsotņu ēnotāja kodu, lai samazinātu skaitļošanas izmaksas. Sarežģīti ēnotāji var ietekmēt veiktspēju, īpaši, ja tiek apstrādāts liels virsotņu skaits.
• Buferu maiņa: Lietojot Transform Feedback ciklā (piemēram, daļiņu simulācijai), apsveriet dubultās buferizācijas izmantošanu (apmainot ievades un izvades buferus), lai izvairītos no lasīšanas pēc rakstīšanas (read-after-write) riskiem.
• Primitīvu tips: Primitīvu tipa izvēle (gl.POINTS, gl.LINES, gl.TRIANGLES) var ietekmēt veiktspēju. Izvēlieties savai lietojumprogrammai vispiemērotāko primitīvu tipu.

Transform Feedback atkļūdošana

Transform Feedback atkļūdošana var būt sarežģīta, taču šeit ir daži padomi:

• Pārbaudiet kļūdas: Izmantojiet gl.getError(), lai pārbaudītu WebGL kļūdas pēc katra Transform Feedback iestatīšanas soļa.
• Pārbaudiet buferu izmērus: Pārliecinieties, ka bufera objekti ir pietiekami lieli, lai uzglabātu uztvertos datus.
• Pārbaudiet bufera saturu: Izmantojiet gl.getBufferSubData(), lai nolasītu bufera objektu saturu atpakaļ uz CPU un pārbaudītu uztvertos datus. Tas var palīdzēt identificēt problēmas ar datu izlīdzināšanu vai ēnotāja aprēķiniem.
• Izmantojiet atkļūdotāju: Izmantojiet WebGL atkļūdotāju (piemēram, Spector.js), lai pārbaudītu WebGL stāvokli un ēnotāja izpildi. Tas var sniegt vērtīgu ieskatu Transform Feedback procesā.
• Vienkāršojiet ēnotāju: Sāciet ar vienkāršu virsotņu ēnotāju, kas izvada tikai dažus varying mainīgos. Pakāpeniski pievienojiet sarežģītību, pārbaudot katru soli.
• Pārbaudiet Varying secību: Vēlreiz pārbaudiet, vai varying mainīgo secība `varyings` masīvā atbilst secībai, kādā tie tiek rakstīti virsotņu ēnotājā, un bufera piesaistes indeksiem.
• Atspējojiet optimizācijas: Pagaidu atspējojiet ēnotāja optimizācijas, lai atvieglotu atkļūdošanu.

Saderība un paplašinājumi

Transform Feedback tiek atbalstīts WebGL 2 un OpenGL ES 3.0 un jaunākās versijās. WebGL 1 līdzīgu funkcionalitāti nodrošina OES_transform_feedback paplašinājums. Tomēr WebGL 2 implementācija ir efektīvāka un funkcijām bagātāka.

Pārbaudiet paplašinājuma atbalstu, izmantojot:

const transformFeedbackExtension = gl.getExtension('OES_transform_feedback');
if (transformFeedbackExtension) {
 // Izmantot paplašinājumu
}

Noslēgums

WebGL Transform Feedback ir jaudīga tehnika virsotņu atribūtu datu uztveršanai tieši uz GPU. Izprotot varying mainīgo, bufera objektu un Transform Feedback objekta jēdzienus, jūs varat izmantot šo funkciju, lai radītu progresīvus renderēšanas efektus, veiktu ģeometrijas apstrādes uzdevumus un optimizētu savas WebGL lietojumprogrammas. Atcerieties rūpīgi apsvērt datu izlīdzināšanu, buferu izmērus un veiktspējas ietekmi, implementējot Transform Feedback. Ar rūpīgu plānošanu un atkļūdošanu jūs varat pilnībā atraisīt šīs vērtīgās WebGL iespējas potenciālu.