WebGL aizseguma vaicājumi: redzamības testēšana un veiktspējas optimizācija

WebGL izstrādes jomā veiktspēja ir vissvarīgākā. Sarežģītas ainas ar daudziem objektiem var ātri noslogot GPU, izraisot kadru zudumu un sliktu lietotāja pieredzi. Viena no spēcīgām tehnikām, lai to mazinātu, ir aizseguma atlasīšana (occlusion culling), kurā objekti, kas paslēpti aiz citiem, netiek renderēti, tādējādi ietaupot vērtīgu apstrādes laiku. WebGL aizseguma vaicājumi nodrošina mehānismu efektīvai objektu redzamības noteikšanai, ļaujot veikt efektīvu aizseguma atlasīšanu.

Kas ir WebGL aizseguma vaicājumi?

WebGL aizseguma vaicājums ir funkcija, kas ļauj jums jautāt GPU, cik daudz fragmentu (pikseļu) tika uzzīmēti ar konkrētu renderēšanas komandu kopu. Būtībā jūs iesniedzat zīmēšanas izsaukumus objektam, un GPU jums paziņo, vai kāds no tā fragmentiem izturēja dziļuma testu un faktiski bija redzams. Šo informāciju pēc tam var izmantot, lai noteiktu, vai objektu aizsedz citi objekti ainā. Ja vaicājums atgriež nulli (vai ļoti mazu skaitli), tas nozīmē, ka objekts bija pilnībā (vai lielākoties) aizsegts un nākamajos kadros tas nav jārenderē. Šī tehnika ievērojami samazina renderēšanas slodzi un uzlabo veiktspēju, īpaši sarežģītās ainās.

Kā darbojas aizseguma vaicājumi: vienkāršots pārskats

1. Izveidojiet vaicājuma objektu: Vispirms jūs izveidojat vaicājuma objektu, izmantojot gl.createQuery(). Šis objekts saglabās aizseguma vaicājuma rezultātus.
2. Sāciet vaicājumu: Jūs sākat vaicājumu, izmantojot gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query). Mērķis gl.ANY_SAMPLES_PASSED norāda, ka mūs interesē, vai kādi paraugi (fragmenti) izturēja dziļuma testu. Pastāv arī citi mērķi, piemēram, gl.ANY_SAMPLES_PASSED_CONSERVATIVE (kas nodrošina konservatīvāku rezultātu, potenciāli iekļaujot viltus pozitīvus rezultātus labākai veiktspējai) un gl.SAMPLES_PASSED (kas skaita dziļuma testu izturējušo paraugu skaitu, WebGL2 ir novecojis).
3. Renderējiet potenciāli aizsegto objektu: Pēc tam jūs izsaucat zīmēšanas komandas objektam, kura redzamību vēlaties pārbaudīt. Parasti tas ir vienkāršots ierobežojošais kubs (bounding box) vai aptuvens objekta attēlojums. Vienkāršotas versijas renderēšana samazina paša vaicājuma ietekmi uz veiktspēju.
4. Beidziet vaicājumu: Jūs beidzat vaicājumu, izmantojot gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED).
5. Iegūstiet vaicājuma rezultātu: Vaicājuma rezultāts nav pieejams uzreiz. GPU nepieciešams laiks, lai apstrādātu renderēšanas komandas un noteiktu izturējušo fragmentu skaitu. Jūs varat iegūt rezultātu, izmantojot gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT).
6. Interpretējiet rezultātu: Ja vaicājuma rezultāts ir lielāks par nulli, tas nozīmē, ka bija redzams vismaz viens objekta fragments. Ja rezultāts ir nulle, tas nozīmē, ka objekts bija pilnībā aizsegts.
7. Izmantojiet rezultātu aizseguma atlasīšanai: Pamatojoties uz vaicājuma rezultātu, jūs varat izlemt, vai nākamajos kadros renderēt pilnu, detalizētu objektu.

Aizseguma vaicājumu izmantošanas priekšrocības

• Uzlabota renderēšanas veiktspēja: Izvairoties no aizsegtu objektu renderēšanas, aizseguma vaicājumi var ievērojami samazināt renderēšanas slodzi, nodrošinot augstāku kadru ātrumu un vienmērīgāku lietotāja pieredzi.
• Samazināta GPU slodze: Mazāka renderēšana nozīmē mazāk darba GPU, kas var uzlabot akumulatora darbības laiku mobilajās ierīcēs un samazināt siltuma veidošanos galddatoros.
• Uzlabota vizuālā precizitāte: Optimizējot renderēšanas veiktspēju, jūs varat atļauties renderēt sarežģītākas ainas ar lielāku detalizāciju, neupurējot kadru ātrumu.
• Mērogojamība: Aizseguma vaicājumi ir īpaši noderīgi sarežģītām ainām ar lielu objektu skaitu, jo veiktspējas ieguvumi palielinās līdz ar ainas sarežģītību.

Izaicinājumi un apsvērumi

Lai gan aizseguma vaicājumi sniedz būtiskas priekšrocības, ir arī daži izaicinājumi un apsvērumi, kas jāpatur prātā:

• Latentums: Aizseguma vaicājumi rada latentumu, jo vaicājuma rezultāts nav pieejams uzreiz. GPU nepieciešams laiks, lai apstrādātu renderēšanas komandas un noteiktu izturējušo fragmentu skaitu. Šis latentums var radīt vizuālus artefaktus, ja netiek pareizi apstrādāts.
• Vaicājuma pieskaitāmās izmaksas: Aizseguma vaicājumu veikšana rada arī noteiktas pieskaitāmās izmaksas. GPU ir jāseko līdzi vaicājuma stāvoklim un jāskaita fragmenti, kas iztur dziļuma testu. Šīs pieskaitāmās izmaksas var neitralizēt veiktspējas ieguvumus, ja vaicājumi netiek izmantoti apdomīgi.
• Konservatīvais aizsegums: Lai samazinātu latentuma ietekmi, bieži ir vēlams izmantot konservatīvu aizsegumu, kur objekti tiek uzskatīti par redzamiem pat tad, ja ir redzams tikai neliels fragmentu skaits. Tas var novest pie daļēji aizsegtu objektu renderēšanas, bet tas ļauj izvairīties no vizuāliem artefaktiem, kas var rasties ar agresīvu aizseguma atlasīšanu.
• Ierobežojošā tilpuma izvēle: Ierobežojošā tilpuma (piem., ierobežojošais kubs, ierobežojošā sfēra) izvēle aizseguma vaicājumam var ievērojami ietekmēt veiktspēju. Vienkāršākus ierobežojošos tilpumus ir ātrāk renderēt, bet tie var radīt vairāk viltus pozitīvu rezultātu (t.i., objekti, kas tiek uzskatīti par redzamiem, lai gan tie lielākoties ir aizsegti).
• Sinhronizācija: Vaicājuma rezultāta iegūšana prasa sinhronizāciju starp CPU un GPU. Šī sinhronizācija var izraisīt dīkstāves renderēšanas konveijerī, kas var negatīvi ietekmēt veiktspēju.
• Pārlūkprogrammu un aparatūras saderība: Pārliecinieties, ka mērķa pārlūkprogrammas un aparatūra atbalsta aizseguma vaicājumus. Lai gan tie ir plaši atbalstīti, vecākām sistēmām šī funkcija var pietrūkt, prasot rezerves mehānismus.

Labākās prakses WebGL aizseguma vaicājumu izmantošanai

Lai maksimāli izmantotu aizseguma vaicājumu priekšrocības un samazinātu izaicinājumus, apsveriet šādas labākās prakses:

1. Izmantojiet vienkāršotus ierobežojošos tilpumus

Tā vietā, lai renderētu pilnu, detalizētu objektu aizseguma vaicājumam, renderējiet vienkāršotu ierobežojošo tilpumu, piemēram, ierobežojošo kubu vai ierobežojošo sfēru. Tas samazina renderēšanas slodzi un paātrina vaicājuma procesu. Ierobežojošajam tilpumam ir cieši jāapņem objekts, lai samazinātu viltus pozitīvos rezultātus.

Piemērs: Iedomājieties sarežģītu automašīnas 3D modeli. Tā vietā, lai renderētu visu automašīnas modeli aizseguma vaicājumam, jūs varētu renderēt vienkāršu ierobežojošo kubu, kas aptver automašīnu. Šo ierobežojošo kubu būs daudz ātrāk renderēt nekā pilnu automašīnas modeli.

2. Izmantojiet hierarhisko aizseguma atlasīšanu

Sarežģītām ainām apsveriet hierarhiskās aizseguma atlasīšanas izmantošanu, kur jūs organizējat objektus ierobežojošo tilpumu hierarhijā. Pēc tam jūs varat veikt aizseguma vaicājumus augstāka līmeņa ierobežojošiem tilpumiem vispirms. Ja augstāka līmeņa ierobežojošais tilpums ir aizsegts, jūs varat izvairīties no aizseguma vaicājumu veikšanas tā bērniem. Tas var ievērojami samazināt nepieciešamo aizseguma vaicājumu skaitu.

Piemērs: Apsveriet ainu ar pilsētu. Jūs varētu organizēt ēkas blokos un pēc tam organizēt blokus rajonos. Tad jūs varētu vispirms veikt aizseguma vaicājumus rajoniem. Ja rajons ir aizsegts, jūs varat izvairīties no aizseguma vaicājumu veikšanas atsevišķiem blokiem un ēkām šajā rajonā.

3. Izmantojiet kadru koherenci

Aizseguma vaicājumi demonstrē kadru koherenci, kas nozīmē, ka objekta redzamība, visticamāk, būs līdzīga no viena kadra uz nākamo. Jūs varat izmantot šo kadru koherenci, kešojot vaicājumu rezultātus un izmantojot tos, lai prognozētu objektu redzamību nākamajos kadros. Tas var samazināt nepieciešamo aizseguma vaicājumu skaitu un uzlabot veiktspēju.

Piemērs: Ja objekts bija redzams iepriekšējā kadrā, jūs varat pieņemt, ka tas, visticamāk, būs redzams arī pašreizējā kadrā. Tad jūs varat atlikt aizseguma vaicājuma veikšanu šim objektam, līdz tas, visticamāk, tiks aizsegts (piemēram, ja tas pārvietojas aiz cita objekta).

4. Apsveriet konservatīvā aizseguma izmantošanu

Lai samazinātu latentuma ietekmi, apsveriet konservatīvā aizseguma izmantošanu, kur objekti tiek uzskatīti par redzamiem pat tad, ja ir redzams tikai neliels fragmentu skaits. To var panākt, iestatot slieksni vaicājuma rezultātam. Ja vaicājuma rezultāts ir virs sliekšņa, objekts tiek uzskatīts par redzamu. Pretējā gadījumā tas tiek uzskatīts par aizsegtu.

Piemērs: Jūs varētu iestatīt 10 fragmentu slieksni. Ja vaicājuma rezultāts ir lielāks par 10, objekts tiek uzskatīts par redzamu. Pretējā gadījumā tas tiek uzskatīts par aizsegtu. Piemērots slieksnis būs atkarīgs no jūsu ainas objektu izmēra un sarežģītības.

5. Ieviesiet rezerves mehānismu

Ne visas pārlūkprogrammas un aparatūra atbalsta aizseguma vaicājumus. Ir svarīgi ieviest rezerves mehānismu, ko var izmantot, ja aizseguma vaicājumi nav pieejami. Tas varētu ietvert vienkāršāka aizseguma atlasīšanas algoritma izmantošanu vai vienkārši aizseguma atlasīšanas atspējošanu.

Piemērs: Jūs varētu pārbaudīt, vai tiek atbalstīts EXT_occlusion_query_boolean paplašinājums. Ja tas nav atbalstīts, jūs varētu pāriet uz vienkāršu uz attālumu balstītu atlasīšanas algoritmu, kur objekti, kas ir pārāk tālu no kameras, netiek renderēti.

6. Optimizējiet renderēšanas konveijeru

Aizseguma vaicājumi ir tikai viena puzles daļa, kad runa ir par renderēšanas veiktspējas optimizāciju. Ir svarīgi arī optimizēt pārējo renderēšanas konveijeru, ieskaitot:

• Zīmēšanas izsaukumu skaita samazināšana: Zīmēšanas izsaukumu grupēšana var ievērojami samazināt renderēšanas pieskaitāmās izmaksas.
• Efektīvu ēnotāju izmantošana: Ēnotāju optimizēšana var samazināt laiku, kas pavadīts katra virsotnes un fragmenta apstrādei.
• Mipmapping izmantošana: Mipmapping var uzlabot tekstūru filtrēšanas veiktspēju.
• Pārzīmēšanas (overdraw) samazināšana: Pārzīmēšana notiek, kad fragmenti tiek zīmēti viens otram virsū, izšķērdējot apstrādes laiku.
• Instancēšanas (instancing) izmantošana: Instancēšana ļauj renderēt vairākas viena un tā paša objekta kopijas ar vienu zīmēšanas izsaukumu.

7. Asinhrona vaicājumu rezultātu iegūšana

Vaicājuma rezultāta iegūšana var izraisīt dīkstāves, ja GPU vēl nav pabeidzis vaicājuma apstrādi. Asinhronas iegūšanas mehānismu izmantošana, ja tādi ir pieejami, var palīdzēt to mazināt. Tehnikas var ietvert gaidīšanu uz noteiktu kadru skaitu pirms rezultāta iegūšanas vai īpašu darbinieku pavedienu (worker threads) izmantošanu, lai apstrādātu vaicājumu iegūšanas procesu, novēršot galvenā renderēšanas pavediena bloķēšanu.

Koda piemērs: pamata aizseguma vaicājuma implementācija

Šeit ir vienkāršots piemērs, kas demonstrē aizseguma vaicājumu pamata lietošanu WebGL:

// Izveidojiet vaicājuma objektu const query = gl.createQuery(); // Sāciet vaicājumu gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query); // Renderējiet objektu (piem., ierobežojošo kubu) gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, vertexCount); // Beidziet vaicājumu gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED); // Asinhroni iegūstiet vaicājuma rezultātu (piemērs, izmantojot requestAnimationFrame) function checkQueryResult() { gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT_AVAILABLE, (available) => { if (available) { gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT, (result) => { const isVisible = result > 0; // Izmantojiet redzamības rezultātu, lai izlemtu, vai renderēt pilnu objektu if (isVisible) { renderFullObject(); } }); } else { requestAnimationFrame(checkQueryResult); } }); } requestAnimationFrame(checkQueryResult);

Piezīme: Šis ir vienkāršots piemērs un neietver kļūdu apstrādi, pareizu resursu pārvaldību vai uzlabotas optimizācijas tehnikas. Atcerieties pielāgot šo savai konkrētajai ainai un prasībām. Kļūdu apstrāde, īpaši attiecībā uz paplašinājumu atbalstu un vaicājumu pieejamību, ir ļoti svarīga ražošanas vidēs. Jāapsver arī pielāgojumi dažādu potenciālo scenāriju apstrādei.

Aizseguma vaicājumi reālās pasaules lietojumprogrammās

Aizseguma vaicājumi tiek izmantoti plašā reālās pasaules lietojumprogrammu klāstā, tostarp:

• Spēļu izstrāde: Aizseguma atlasīšana ir būtiska tehnika renderēšanas veiktspējas optimizēšanai spēlēs, īpaši sarežģītās ainās ar daudziem objektiem. Piemēri ietver AAA klases spēles, kas renderētas pārlūkprogrammā, izmantojot WebAssembly un WebGL, kā arī tīmekļa bāzes gadījuma spēles ar detalizētām vidēm.
• Arhitektūras vizualizācija: Aizseguma vaicājumus var izmantot, lai uzlabotu arhitektūras vizualizāciju veiktspēju, ļaujot lietotājiem reāllaikā izpētīt lielus un detalizētus ēku modeļus. Iedomājieties virtuāla muzeja izpēti ar neskaitāmiem eksponātiem – aizseguma atlasīšana nodrošina vienmērīgu navigāciju.
• Ģeogrāfiskās informācijas sistēmas (GIS): Aizseguma vaicājumus var izmantot, lai optimizētu lielu un sarežģītu ģeogrāfisko datu kopu, piemēram, pilsētu un ainavu, renderēšanu. Piemēram, pilsētas ainavu 3D modeļu vizualizācija tīmekļa pārlūkprogrammā pilsētplānošanas simulācijām var gūt lielu labumu no aizseguma atlasīšanas.
• Medicīniskā attēlveidošana: Aizseguma vaicājumus var izmantot, lai uzlabotu medicīniskās attēlveidošanas lietojumprogrammu veiktspēju, ļaujot ārstiem reāllaikā vizualizēt sarežģītas anatomiskas struktūras.
• E-komercija: Vietnēm, kas prezentē produktu 3D modeļus, aizseguma vaicājumi var palīdzēt samazināt GPU slodzi, nodrošinot vienmērīgāku pieredzi pat mazāk jaudīgās ierīcēs. Apsveriet sarežģīta mēbeļu gabala 3D modeļa apskati mobilajā ierīcē; aizseguma atlasīšana var palīdzēt saglabāt pieņemamu kadru ātrumu.

Noslēgums

WebGL aizseguma vaicājumi ir spēcīgs rīks renderēšanas veiktspējas optimizēšanai un lietotāja pieredzes uzlabošanai tīmekļa lietojumprogrammās. Efektīvi atlasot aizsegtos objektus, jūs varat samazināt renderēšanas slodzi, uzlabot kadru ātrumu un iespējot sarežģītākas un detalizētākas ainas. Lai gan ir jāņem vērā izaicinājumi, piemēram, latentums un vaicājumu pieskaitāmās izmaksas, labāko prakšu ievērošana un rūpīga jūsu lietojumprogrammas īpašo vajadzību apsvēršana var atraisīt pilnu aizseguma vaicājumu potenciālu. Apgūstot šīs tehnikas, izstrādātāji visā pasaulē var nodrošināt bagātākas, aizraujošākas un veiktspējīgākas tīmekļa 3D pieredzes.

Papildu resursi

• WebGL specifikācija: Skatiet oficiālo WebGL specifikāciju, lai iegūtu jaunāko informāciju par aizseguma vaicājumiem.
• Khronos Group: Izpētiet Khronos Group vietni, lai atrastu resursus, kas saistīti ar WebGL un OpenGL ES.
• Tiešsaistes pamācības un raksti: Meklējiet tiešsaistes pamācības un rakstus par WebGL aizseguma vaicājumiem, lai atrastu praktiskus piemērus un uzlabotas tehnikas.
• WebGL demonstrācijas: Pārbaudiet esošās WebGL demonstrācijas, kas izmanto aizseguma vaicājumus, lai mācītos no reālās pasaules implementācijām.