WebGL Occlusion Culling: Technieken voor Zichtbaarheidsoptimalisatie in Wereldwijde Applicaties

In de wereld van real-time 3D-graphics zijn prestaties van het grootste belang. Of u nu meeslepende ervaringen voor webbrowsers, interactieve visualisaties of complexe online games ontwikkelt, het handhaven van een soepele en responsieve framerate is cruciaal voor de betrokkenheid van de gebruiker. Een van de meest effectieve technieken om dit in WebGL te bereiken is occlusion culling. Deze blogpost biedt een uitgebreid overzicht van occlusion culling in WebGL, waarbij verschillende technieken en strategieën worden verkend om de renderingprestaties in wereldwijd toegankelijke applicaties te optimaliseren.

Wat is Occlusion Culling?

Occlusion culling is een techniek die wordt gebruikt om objecten uit de rendering-pijplijn te verwijderen die vanuit het gezichtspunt van de camera achter andere objecten verborgen zijn. In wezen voorkomt het dat de GPU middelen verspilt aan het renderen van geometrie die niet zichtbaar is voor de gebruiker. Dit leidt tot een aanzienlijke vermindering van het aantal draw calls en de totale rendering-werklast, wat resulteert in verbeterde prestaties, vooral in scènes met een hoge geometrische complexiteit.

Neem bijvoorbeeld een virtuele stadsscène. Veel gebouwen kunnen vanuit het huidige perspectief van de kijker achter andere verborgen zijn. Zonder occlusion culling zou de GPU nog steeds proberen al die verborgen gebouwen te renderen. Occlusion culling identificeert en elimineert die verborgen elementen nog voordat ze de renderingfase bereiken.

Waarom is Occlusion Culling Belangrijk in WebGL?

WebGL draait in een browseromgeving, die van nature prestatiebeperkingen heeft in vergelijking met native applicaties. Optimaliseren voor WebGL is cruciaal om een breed publiek te bereiken en een soepele ervaring te bieden op verschillende apparaten en netwerkomstandigheden. Hier is waarom occlusion culling bijzonder belangrijk is in WebGL:

• Browserbeperkingen: Webbrowsers leggen beveiligings-sandboxes en resourcebeperkingen op die de prestaties kunnen beïnvloeden.
• Variërende Hardware: WebGL-applicaties draaien op een breed scala aan apparaten, van high-end gaming-pc's tot mobiele apparaten met een laag vermogen. Optimalisaties zijn essentieel om een consistente ervaring over dit spectrum te garanderen.
• Netwerklatentie: WebGL-applicaties zijn vaak afhankelijk van het ophalen van assets via het netwerk. Het verminderen van de rendering-werklast kan de prestaties indirect verbeteren door de impact van netwerklatentie te minimaliseren.
• Stroomverbruik: Op mobiele apparaten verbruikt het renderen van onnodige geometrie de batterij. Occlusion culling helpt het stroomverbruik te verminderen en de levensduur van de batterij te verlengen.

Frustum Culling: De Basis

Voordat we dieper ingaan op occlusion culling, is het belangrijk om frustum culling te begrijpen, een fundamentele techniek voor zichtbaarheidsoptimalisatie. Frustum culling verwijdert objecten die volledig buiten het kijkvolume (frustum) van de camera liggen (de 3D-ruimte die zichtbaar is voor de camera). Dit is doorgaans de eerste zichtbaarheidscontrole die in een rendering-pijplijn wordt uitgevoerd.

Het kijkvolume wordt gedefinieerd door de positie, oriëntatie, gezichtsveld, beeldverhouding en de nabije/verre clipping-vlakken van de camera. Frustum culling is relatief goedkoop om uit te voeren en levert een aanzienlijke prestatieverbetering op door objecten te elimineren die volledig buiten beeld zijn.

Implementatie van Frustum Culling

Frustum culling wordt vaak geïmplementeerd met een eenvoudige bounding volume-test. Elk object wordt vertegenwoordigd door een bounding box of bounding sphere, en de positie ervan wordt vergeleken met de vlakken die het frustum definiëren. Als het bounding volume volledig buiten een van de frustum-vlakken ligt, wordt het object verwijderd.

Veel WebGL-bibliotheken bieden ingebouwde functies voor frustum culling. Bibliotheken zoals Three.js en Babylon.js bieden bijvoorbeeld frustum culling-mogelijkheden als onderdeel van hun scènebeheersystemen. Zelfs zonder een bibliotheek te gebruiken, is het mogelijk om uw eigen frustum culling-functionaliteit te creëren, wat vooral belangrijk is als prestaties cruciaal zijn of als uw scène specifieke kenmerken heeft die niet door standaardimplementaties worden aangepakt.

Occlusion Culling-technieken in WebGL

Er kunnen verschillende occlusion culling-technieken worden toegepast in WebGL, elk met zijn eigen afwegingen op het gebied van prestaties en complexiteit. Hier zijn enkele van de meest voorkomende:

1. Hiërarchische Z-Buffering (Hi-Z) Occlusion Culling

Hi-Z occlusion culling maakt gebruik van de dieptebuffer (Z-buffer) om de zichtbaarheid te bepalen. Er wordt een hiërarchische weergave van de dieptebuffer gecreëerd, meestal door de originele Z-buffer te downsamplen tot een piramide van kleinere dieptebuffers. Elk niveau in de piramide vertegenwoordigt een versie met lagere resolutie van de dieptebuffer, waarbij elke pixel de maximale dieptewaarde opslaat binnen zijn overeenkomstige regio in het niveau met hogere resolutie.

Om occlusion culling uit te voeren, wordt het bounding volume van een object geprojecteerd op het laagste resolutieniveau van de Hi-Z piramide. De maximale dieptewaarde binnen het geprojecteerde gebied wordt vervolgens vergeleken met de minimale dieptewaarde van het bounding volume van het object. Als de maximale dieptewaarde in de Hi-Z piramide kleiner is dan de minimale dieptewaarde van het object, wordt het object als verborgen (occluded) beschouwd en verwijderd.

Voordelen:

• Relatief eenvoudig te implementeren.
• Kan volledig op de GPU worden geïmplementeerd met behulp van shaders.

Nadelen:

• Vereist een initiële rendering pass om de dieptebuffer te genereren.
• Kan artefacten introduceren als de Hi-Z piramide niet voldoende nauwkeurig is.

Voorbeeld: Overzicht van Hi-Z Implementatie

Hoewel het verstrekken van een volledige shader-implementatie buiten het bestek van dit artikel valt, is hier een conceptueel overzicht:

1. Generatie van de Dieptebuffer: Render de scène naar een frame buffer met een diepte-attachment.
2. Creatie van de Hi-Z Piramide: Creëer een reeks frame buffers met progressief kleinere resoluties.
3. Downsampling: Gebruik shaders om de dieptebuffer iteratief te downsamplen, waarbij elk niveau van de Hi-Z piramide wordt gegenereerd. Neem in elke stap, voor elke pixel, de maximale dieptewaarde van de omliggende 2x2 pixels in het niveau met hogere resolutie.
4. Occlusie-query: Voor elk object:
   • Projecteer de bounding box van het object op het laagste resolutie Hi-Z niveau.
   • Lees de maximale dieptewaarde terug binnen het geprojecteerde gebied.
   • Vergelijk deze waarde met de minimale diepte van het object. Als deze kleiner is, is het object verborgen.

2. Occlusion Queries

Occlusion queries zijn een functie van WebGL waarmee de GPU kan bepalen hoeveel fragmenten (pixels) van een bepaald object zichtbaar zijn. Deze informatie kan vervolgens worden gebruikt om te beslissen of het object in volgende frames moet worden gerenderd.

Om occlusion queries te gebruiken, dient u eerst een query-object in bij de GPU. Vervolgens rendert u het bounding volume van het object (of een vereenvoudigde weergave van het object) met dieptetesten ingeschakeld, maar zonder naar de kleurbuffer te schrijven. De GPU houdt het aantal fragmenten bij dat de dieptetest doorstaat. Na het renderen van het bounding volume, haalt u het queryresultaat op. Als het aantal zichtbare fragmenten nul is, wordt het object als verborgen beschouwd en kan het in volgende frames worden overgeslagen.

Voordelen:

• Relatief nauwkeurige bepaling van occlusie.
• Kan worden gebruikt met complexe geometrie.

Nadelen:

• Introduceert latentie omdat het queryresultaat pas beschikbaar is nadat het object is gerenderd. Deze latentie kan worden beperkt door technieken zoals frame-vertraging of asynchrone queries te gebruiken.
• Kan GPU-stalls veroorzaken als de queryresultaten te vaak worden teruggelezen.

Voorbeeld: Implementatie van Occlusion Query

Hier is een vereenvoudigd voorbeeld van hoe occlusion queries in WebGL te gebruiken:

            // Creëer een occlusion query-object
const query = gl.createQuery();

// Start de query
gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query);

// Render het bounding volume van het object (of vereenvoudigde geometrie)
gl.drawElements(gl.TRIANGLES, indices.length, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);

// Beëindig de query
gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query);

// Controleer het queryresultaat (asynchroon)
gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT_AVAILABLE);

if (gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT_AVAILABLE)) {
  const visible = gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT);
  if (visible) {
   // Render het object
  } else {
   // Object is verborgen, sla rendering over
  }
  gl.deleteQuery(query);
}

            

              
                Copy
              
            
          

3. Portal Culling

Portal culling is een techniek voor zichtbaarheidsoptimalisatie die specifiek is ontworpen voor scènes met goed gedefinieerde, afgesloten ruimtes, zoals architectonische omgevingen of binnenscènes. De scène wordt verdeeld in convexe regio's (kamers) die verbonden zijn door portalen (deuropeningen, ramen of andere openingen).

Het algoritme begint vanaf de huidige locatie van de camera en doorloopt recursief de scènegrafiek, waarbij alleen die kamers worden bezocht die mogelijk zichtbaar zijn via de portalen. Voor elke kamer controleert het algoritme of het bounding volume van de kamer het kijkvolume van de camera snijdt. Als dat zo is, wordt de geometrie van de kamer gerenderd. Het algoritme bezoekt vervolgens recursief de aangrenzende kamers die verbonden zijn door portalen die ook zichtbaar zijn vanuit de huidige kamer.

Voordelen:

• Zeer effectief voor afgesloten omgevingen.
• Kan het aantal draw calls aanzienlijk verminderen.

Nadelen:

• Vereist een zorgvuldige opdeling van de scène en definitie van portalen.
• Kan complex zijn om te implementeren.

Voorbeeld: Portal Culling Scenario

Stel u een virtueel museum voor. Het museum is verdeeld in verschillende kamers, elk verbonden door deuropeningen (portalen). Wanneer de gebruiker in één kamer staat, zou portal culling alleen de geometrie van die kamer renderen en de kamers die zichtbaar zijn door de deuropeningen. De geometrie van de andere kamers zou worden weggegooid.

4. Vooraf Berekende Zichtbaarheid (PVS)

Precomputed Visibility Sets (PVS) omvatten het offline berekenen van zichtbaarheidsinformatie en het opslaan ervan in een datastructuur die tijdens runtime kan worden gebruikt. Deze techniek is geschikt voor statische scènes waar de geometrie niet vaak verandert.

Tijdens de voorverwerkingsfase wordt voor elke cel of regio in de scène een zichtbaarheidsset berekend. Deze zichtbaarheidsset bevat een lijst van alle objecten die vanuit die cel zichtbaar zijn. Tijdens runtime bepaalt het algoritme de huidige locatie van de camera en haalt de bijbehorende zichtbaarheidsset op. Alleen de objecten in de zichtbaarheidsset worden gerenderd.

Voordelen:

• Snel en efficiënt tijdens runtime.
• Zeer effectief voor statische scènes.

Nadelen:

• Vereist een langdurige voorverwerkingsstap.
• Niet geschikt voor dynamische scènes.
• Kan een aanzienlijke hoeveelheid geheugen in beslag nemen om de zichtbaarheidssets op te slaan.

Voorbeeld: PVS in Gameontwikkeling

Veel oudere videogames gebruikten PVS om de renderingprestaties te optimaliseren in levels met statische omgevingen. De zichtbaarheidssets werden vooraf berekend tijdens het levelontwerpproces en opgeslagen als onderdeel van de gamegegevens.

Overwegingen voor Wereldwijde Applicaties

Bij het ontwikkelen van WebGL-applicaties voor een wereldwijd publiek is het belangrijk om rekening te houden met het volgende:

• Variërende Netwerkomstandigheden: Gebruikers in verschillende delen van de wereld kunnen sterk verschillende internetsnelheden hebben. Optimaliseer het laden van assets en minimaliseer de hoeveelheid gegevens die via het netwerk moet worden overgedragen.
• Apparaatcapaciteiten: Zorg ervoor dat uw applicatie compatibel is met een breed scala aan apparaten, van high-end gaming-pc's tot mobiele apparaten met een laag vermogen. Gebruik adaptieve renderingtechnieken om de renderingkwaliteit aan te passen op basis van de capaciteiten van het apparaat.
• Lokalisatie: Lokaliseer de tekst en andere assets van uw applicatie om verschillende talen te ondersteunen. Overweeg het gebruik van een content delivery network (CDN) om gelokaliseerde assets te serveren vanaf servers die geografisch dicht bij de gebruiker staan.
• Toegankelijkheid: Ontwerp uw applicatie zodat deze toegankelijk is voor gebruikers met een handicap. Bied alternatieve tekst voor afbeeldingen, gebruik toetsenbordnavigatie en zorg ervoor dat uw applicatie compatibel is met schermlezers.

Occlusion Culling Optimaliseren voor WebGL

Hier zijn enkele algemene tips voor het optimaliseren van occlusion culling in WebGL:

• Gebruik Vereenvoudigde Geometrie: Gebruik vereenvoudigde geometrie voor occlusion culling. In plaats van het volledige object te renderen, gebruikt u een bounding box of bounding sphere.
• Combineer Occlusion Culling met Frustum Culling: Voer frustum culling uit vóór occlusion culling om objecten te elimineren die volledig buiten beeld zijn.
• Gebruik Asynchrone Queries: Gebruik asynchrone occlusion queries om GPU-stalls te voorkomen.
• Profileer Uw Applicatie: Gebruik WebGL-profileringstools om prestatieknelpunten te identificeren en uw code dienovereenkomstig te optimaliseren.
• Balanceer Nauwkeurigheid en Prestaties: Kies een occlusion culling-techniek die een balans vindt tussen nauwkeurigheid en prestaties. In sommige gevallen kan het beter zijn om een paar extra objecten te renderen dan te veel tijd te besteden aan occlusion culling.

Verder dan de Basis: Geavanceerde Technieken

Naast de hierboven besproken kerntechnieken, kunnen verschillende geavanceerde strategieën de zichtbaarheidsoptimalisatie in WebGL verder verbeteren:

1. Conservative Rasterization

Conservative rasterization breidt de rasterisatiedekking van driehoeken uit, zodat zelfs pixels die slechts gedeeltelijk door een driehoek worden bedekt, als bedekt worden beschouwd. Dit kan met name nuttig zijn voor occlusion culling, omdat het helpt situaties te voorkomen waarin kleine of dunne objecten onjuist worden geculled vanwege precisieproblemen.

2. Visibility Buffer (ViBu)

Een visibility buffer (ViBu) is een schermruimte-datastructuur die zichtbaarheidsinformatie voor elke pixel opslaat. Deze informatie kan vervolgens worden gebruikt voor verschillende rendering-effecten, zoals ambient occlusion en global illumination. Een ViBu kan ook worden gebruikt voor occlusion culling door te bepalen welke objecten op elke pixel zichtbaar zijn.

3. GPU-gestuurde Rendering

GPU-gestuurde rendering verschuift meer van de rendering-werklast van de CPU naar de GPU. Dit kan met name gunstig zijn voor occlusion culling, omdat het de GPU in staat stelt de zichtbaarheidsbepaling parallel met andere rendering-taken uit te voeren.

Voorbeelden uit de Praktijk

Laten we enkele voorbeelden bekijken van hoe occlusion culling wordt gebruikt in echte WebGL-applicaties:

• Online Games: Veel online games gebruiken occlusion culling om de renderingprestaties in complexe game-omgevingen te optimaliseren. Een game met een grote stadsscène kan bijvoorbeeld portal culling gebruiken om alleen de gebouwen te renderen die zichtbaar zijn vanaf de huidige locatie van de speler.
• Architectonische Visualisaties: Architectonische visualisaties gebruiken vaak occlusion culling om de prestaties van interactieve walkthroughs te verbeteren. Een gebruiker die een virtueel gebouw verkent, ziet bijvoorbeeld mogelijk alleen de kamers die zichtbaar zijn vanaf zijn huidige positie.
• Interactieve Kaarten: Interactieve kaarten kunnen occlusion culling gebruiken om het renderen van kaarttegels te optimaliseren. Een gebruiker die een 3D-kaart bekijkt, ziet bijvoorbeeld mogelijk alleen de tegels die zichtbaar zijn vanuit zijn huidige gezichtspunt.

De Toekomst van Occlusion Culling in WebGL

Naarmate WebGL blijft evolueren, kunnen we verdere vooruitgang verwachten in occlusion culling-technieken. Hier zijn enkele mogelijke gebieden voor toekomstige ontwikkeling:

• Hardwareversnelling: Toekomstige versies van WebGL kunnen hardwareversnelling bieden voor occlusion culling, waardoor het nog efficiënter wordt.
• AI-aangedreven Occlusion Culling: Machine learning-technieken kunnen worden gebruikt om zichtbaarheid te voorspellen en occlusion culling-beslissingen te optimaliseren.
• Integratie met WebGPU: WebGPU, de opvolger van WebGL, is ontworpen om toegang op een lager niveau tot GPU-hardware te bieden, wat meer geavanceerde occlusion culling-technieken mogelijk zou kunnen maken.

Conclusie

Occlusion culling is een krachtige techniek voor het optimaliseren van renderingprestaties in WebGL-applicaties. Door objecten die niet zichtbaar zijn voor de gebruiker te verwijderen, kan occlusion culling het aantal draw calls aanzienlijk verminderen en de framerates verbeteren. Bij het ontwikkelen van WebGL-applicaties voor een wereldwijd publiek is het belangrijk om rekening te houden met de beperkingen van de browseromgeving, de variërende hardwaremogelijkheden van verschillende apparaten en de impact van netwerklatentie. Door zorgvuldig de juiste occlusion culling-technieken te kiezen en uw code te optimaliseren, kunt u een soepele en responsieve ervaring bieden aan gebruikers over de hele wereld.

Vergeet niet om uw applicatie regelmatig te profileren en te experimenteren met verschillende occlusion culling-technieken om de beste oplossing voor uw specifieke behoeften te vinden. De sleutel is om een balans te vinden tussen nauwkeurigheid en prestaties om de optimale renderingkwaliteit en framerate voor uw doelgroep te bereiken.