WebGL Variable Rate Shading Hardware-ondersteuning: Detectie van GPU-mogelijkheden

Variable Rate Shading (VRS) is een krachtige renderingtechniek waarmee ontwikkelaars de shading rate voor verschillende delen van het scherm kunnen bepalen. Door de shading rate te verlagen in gebieden waar detail minder belangrijk is, kan VRS de renderingprestaties aanzienlijk verbeteren zonder een merkbare daling in visuele kwaliteit. Dit is vooral cruciaal voor apparaten met beperkte middelen en veeleisende toepassingen zoals games, simulaties en virtual reality.

VRS is echter een hardware-afhankelijke functie. Niet alle GPU's ondersteunen het, en zelfs degenen die dat wel doen, kunnen verschillende capaciteiten hebben. Daarom is het nauwkeurig detecteren van VRS hardware-ondersteuning de eerste cruciale stap om deze technologie effectief te benutten in uw WebGL-applicaties. Deze blogpost leidt u door het proces van het detecteren van VRS-ondersteuning en het begrijpen van de verschillende niveaus van capaciteiten die u kunt tegenkomen.

Wat is Variable Rate Shading (VRS)?

Traditioneel wordt elke pixel op het scherm individueel 'geshadet' (d.w.z. de kleur wordt berekend). Deze uniforme shading rate kan verspillend zijn, omdat sommige delen van het scherm misschien niet zo'n hoge precisie vereisen. Bijvoorbeeld, gebieden met weinig contrast of snelle beweging kunnen vaak met een lagere rate worden geshadet zonder een significante impact op de waargenomen visuele kwaliteit.

Met VRS kunnen ontwikkelaars verschillende shading rates specificeren voor verschillende regio's van het scherm. Dit wordt doorgaans gedaan door het scherm in tegels of blokken te verdelen en aan elke tegel een shading rate toe te wijzen. Een lagere shading rate betekent dat de GPU minder pixels binnen die tegel zal shaden, wat de rendering-werklast effectief vermindert.

Er zijn doorgaans twee hoofdtypen VRS:

• Coarse Pixel Shading (CPS): Dit type VRS stelt u in staat om de shading rate per tegel te specificeren. De tegelgrootte is doorgaans klein, zoals 8x8 of 16x16 pixels. CPS is een relatief eenvoudige en efficiënte vorm van VRS.
• Content Adaptive Shading (CAS): Deze meer geavanceerde vorm van VRS past de shading rate dynamisch aan op basis van de inhoud van de scène. Bijvoorbeeld, gebieden met veel detail of beweging kunnen met een hogere rate worden geshadet, terwijl gebieden met weinig detail of statische inhoud met een lagere rate kunnen worden geshadet. CAS vereist een meer geavanceerde analyse van de scène, maar kan nog grotere prestatiewinsten opleveren.

Voordelen van het gebruik van VRS in WebGL

Het implementeren van VRS in uw WebGL-applicaties biedt verschillende belangrijke voordelen:

• Verbeterde prestaties: Door de shading rate in minder kritieke gebieden te verlagen, kan VRS de rendering-werklast aanzienlijk verminderen, wat leidt tot hogere framerates en soepelere prestaties, vooral op low-end apparaten.
• Langere batterijduur: Voor mobiele apparaten en laptops kan het verminderen van de rendering-werklast leiden tot een langere batterijduur, waardoor gebruikers langer van uw applicaties kunnen genieten.
• Verbeterde visuele kwaliteit (in sommige gevallen): Hoewel het misschien contra-intuïtief lijkt, kan VRS soms de visuele kwaliteit verbeteren door u in staat te stellen meer rendering-resources toe te wijzen aan gebieden die visueel belangrijk zijn. U zou bijvoorbeeld de shading rate op de achtergrond kunnen verlagen en de bespaarde resources gebruiken om de shading rate op de voorgrond te verhogen, wat resulteert in scherpere en meer gedetailleerde voorgrondobjecten.
• Schaalbaarheid: VRS stelt uw applicatie in staat om beter te schalen over verschillende hardwareconfiguraties. Op high-end GPU's kunt u een hogere shading rate gebruiken om maximale visuele kwaliteit te bereiken, terwijl u op low-end GPU's een lagere shading rate kunt gebruiken om aanvaardbare prestaties te behouden.

Hardware-ondersteuning voor VRS detecteren in WebGL

Voordat u VRS in uw WebGL-applicatie kunt gebruiken, moet u bepalen of de GPU van de gebruiker dit ondersteunt. Dit houdt in dat u controleert op de aanwezigheid van de benodigde WebGL-extensies.

1. Controleren op de `ANGLE_variable_rate_shading` extensie

De primaire extensie die VRS in WebGL mogelijk maakt, is `ANGLE_variable_rate_shading`. U kunt controleren of deze bestaat met de `getExtension()` methode van de WebGL-context:

            const gl = canvas.getContext('webgl2');
if (!gl) {
  console.error('WebGL 2 wordt niet ondersteund.');
  return;
}

const vrsExtension = gl.getExtension('ANGLE_variable_rate_shading');

if (vrsExtension) {
  console.log('Variable Rate Shading wordt ondersteund!');
} else {
  console.log('Variable Rate Shading wordt niet ondersteund.');
}

            

              
                Copy
              
            
          

Belangrijke opmerking: De `ANGLE_variable_rate_shading` extensie is een extensie die wordt aangeboden door het ANGLE (Almost Native Graphics Layer Engine) project. ANGLE wordt door veel browsers gebruikt om WebGL-aanroepen te vertalen naar de native grafische API's van verschillende platforms (bijv. Direct3D op Windows, Metal op macOS en iOS, Vulkan op Android). Daarom geeft de aanwezigheid van deze extensie aan dat de onderliggende grafische driver en hardware VRS ondersteunen, zelfs als de native WebGL-implementatie VRS-functionaliteit niet rechtstreeks blootlegt.

2. VRS-capaciteiten onderzoeken

Zodra u hebt bevestigd dat de `ANGLE_variable_rate_shading` extensie beschikbaar is, moet u de specifieke capaciteiten van de VRS-implementatie onderzoeken. De extensie biedt verschillende constanten en methoden waarmee u deze capaciteiten kunt opvragen.

a. Ondersteunde Shading Rates

De extensie definieert een set constanten die de ondersteunde shading rates vertegenwoordigen. Deze constanten zijn machten van twee en geven het aantal pixels aan dat per fragment wordt geshadet.

• `gl.SHADING_RATE_1X1_PIXELS`: Shade elke pixel (1x1).
• `gl.SHADING_RATE_1X2_PIXELS`: Shade elke andere pixel horizontaal (1x2).
• `gl.SHADING_RATE_2X1_PIXELS`: Shade elke andere pixel verticaal (2x1).
• `gl.SHADING_RATE_2X2_PIXELS`: Shade elke andere pixel in beide dimensies (2x2).
• `gl.SHADING_RATE_4X2_PIXELS`: Shade elke vierde pixel horizontaal en elke andere pixel verticaal (4x2).
• `gl.SHADING_RATE_2X4_PIXELS`: Shade elke andere pixel horizontaal en elke vierde pixel verticaal (2x4).
• `gl.SHADING_RATE_4X4_PIXELS`: Shade elke vierde pixel in beide dimensies (4x4).

Om te bepalen welke shading rates daadwerkelijk door de GPU worden ondersteund, kunt u de `getSupportedShadingRates()` methode van de extensie gebruiken. Deze methode retourneert een array van booleans, waarbij elk element aangeeft of de overeenkomstige shading rate wordt ondersteund. De volgorde van de elementen komt overeen met de volgorde van de hierboven genoemde constanten.

            if (vrsExtension) {
  const supportedShadingRates = vrsExtension.getSupportedShadingRates();

  console.log('Ondersteunde Shading Rates:');
  console.log('  1x1: ' + supportedShadingRates[0]);
  console.log('  1x2: ' + supportedShadingRates[1]);
  console.log('  2x1: ' + supportedShadingRates[2]);
  console.log('  2x2: ' + supportedShadingRates[3]);
  console.log('  4x2: ' + supportedShadingRates[4]);
  console.log('  2x4: ' + supportedShadingRates[5]);
  console.log('  4x4: ' + supportedShadingRates[6]);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Door de `supportedShadingRates` array te onderzoeken, kunt u bepalen welke shading rates u veilig kunt gebruiken in uw applicatie.

b. Aantal Shading Rate Combiners

De `shadingRateCombinerCount` eigenschap van de extensie geeft aan hoeveel shading rate combiners door de GPU worden ondersteund. Met shading rate combiners kunt u meerdere bronnen van shading rate-informatie combineren om een uiteindelijke shading rate te produceren. Hoe meer combiners er beschikbaar zijn, hoe flexibeler u kunt zijn in het regelen van de shading rate.

            if (vrsExtension) {
  const shadingRateCombinerCount = vrsExtension.shadingRateCombinerCount;
  console.log('Aantal Shading Rate Combiners: ' + shadingRateCombinerCount);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Typische waarden voor `shadingRateCombinerCount` zijn 1 of 2. Een waarde van 0 geeft aan dat shading rate combiners niet worden ondersteund.

c. Ondersteuning voor Shading Rate Image

De `shadingRateImage` is een textuur waarmee u de shading rate per tegel kunt specificeren. De extensie biedt een constante, `gl.SHADING_RATE_IMAGE_OES`, die het textuurdoel voor de shading rate image vertegenwoordigt. Om te controleren of de `shadingRateImage` wordt ondersteund, kunt u de `MAX_FRAGMENT_UNIFORM_VECTORS` limiet opvragen. Als het aantal beschikbare fragment uniform vectors voldoende is, ondersteunt de driver waarschijnlijk de `shadingRateImage` functie. Als het maximumaantal erg laag is, wordt de functie waarschijnlijk niet ondersteund.

Hoewel `shadingRateImage` de standaardmanier is om coarse pixel shading uit te voeren, kunnen hardware-implementaties van VRS ervoor kiezen om deze weg te laten, en dat moet tijdens runtime worden gedetecteerd.

3. Omgaan met niet-ondersteunde VRS

Als de `ANGLE_variable_rate_shading` extensie niet beschikbaar is, of als de ondersteunde shading rates beperkt zijn, moet u op een elegante manier terugvallen op een standaard rendering pad. Dit kan inhouden dat u een hogere shading rate gebruikt of VRS volledig uitschakelt. Het is cruciaal om niet te vertrouwen op VRS als het niet correct wordt ondersteund, omdat dit kan leiden tot renderingfouten of prestatieproblemen.

Voorbeeld: VRS detecteren en gebruiken in een WebGL-applicatie

Hier is een completer voorbeeld dat laat zien hoe u VRS-ondersteuning kunt detecteren en gebruiken om de shading rate aan te passen in een eenvoudige WebGL-applicatie:

            
// Vraag de WebGL2-context op
const canvas = document.getElementById('glCanvas');
const gl = canvas.getContext('webgl2');

if (!gl) {
  console.error('WebGL 2 wordt niet ondersteund.');
  // Val terug op een rendering pad zonder VRS
  return;
}

// Vraag de ANGLE_variable_rate_shading extensie op
const vrsExtension = gl.getExtension('ANGLE_variable_rate_shading');

if (!vrsExtension) {
  console.log('Variable Rate Shading wordt niet ondersteund.');
  // Val terug op een rendering pad zonder VRS
  return;
}

// Controleer ondersteunde shading rates
const supportedShadingRates = vrsExtension.getSupportedShadingRates();

// Bepaal de laagst ondersteunde shading rate (anders dan 1x1)
let lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_1X1_PIXELS; // Standaard op 1x1
if (supportedShadingRates[1]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_1X2_PIXELS;
} else if (supportedShadingRates[2]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_2X1_PIXELS;
} else if (supportedShadingRates[3]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_2X2_PIXELS;
} else if (supportedShadingRates[4]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_4X2_PIXELS;
} else if (supportedShadingRates[5]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_2X4_PIXELS;
} else if (supportedShadingRates[6]) {
  lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_4X4_PIXELS;
}

console.log('Laagst ondersteunde shading rate: ' + lowestShadingRate);

// Stel de shading rate in voor een specifieke regio (bijv. het hele scherm)
// Dit zou normaal gesproken het creëren van een shading rate image en het binden ervan aan de juiste texture unit inhouden.
// Het volgende is een vereenvoudigd voorbeeld dat alleen de shading rate globaal instelt.

// Ervan uitgaande dat je een programma hebt en op het punt staat te tekenen...

function drawScene(){
  // Bind de juiste framebuffer (indien nodig)

  // Roep de extensiefunctie aan om de shading rate in te stellen (vereenvoudigd voorbeeld)
  // In een echte applicatie zou dit het opzetten van een shading rate image inhouden.
  //vrsExtension.setShadingRate(lowestShadingRate);  //Dit is een hypothetische functie en zal niet werken, het staat hier als voorbeeld van wat het zou doen.

  // Teken je scène
  //gl.drawArrays(...);
}

// Render-loop
function render() {
  // ... update je scène ...
  drawScene();
  requestAnimationFrame(render);
}

requestAnimationFrame(render);


            

              
                Copy
              
            
          

Belangrijke overwegingen:

• Shading Rate Image: Het bovenstaande voorbeeld is een vereenvoudigde illustratie. In een reëel scenario zou u doorgaans een shading rate image (een textuur) maken en deze aan een texture unit binden. Deze afbeelding zou de shading rate-waarden voor elke tegel op het scherm bevatten. U zou dan de juiste WebGL-functies gebruiken om deze afbeelding in uw fragment shader te samplen en de overeenkomstige shading rate toe te passen. De details van het maken en gebruiken van een shading rate image vallen buiten het bestek van deze inleidende blogpost, maar zullen in toekomstige artikelen worden behandeld.
• Prestatiemeting: Het is cruciaal om de prestatie-impact van VRS in uw applicatie zorgvuldig te meten. Hoewel VRS vaak de prestaties kan verbeteren, kan het ook overhead introduceren vanwege de noodzaak om de shading rate image te beheren en de benodigde berekeningen in de fragment shader uit te voeren. Gebruik WebGL-prestatieanalysetools om de optimale shading rates voor uw applicatie te bepalen.

Best Practices voor het gebruik van VRS in WebGL

Om het meeste uit VRS in uw WebGL-applicaties te halen, overweeg de volgende best practices:

• Geef prioriteit aan visuele kwaliteit: Geef bij het kiezen van shading rates prioriteit aan visuele kwaliteit boven prestaties. Begin met een hogere shading rate en verlaag deze geleidelijk totdat u een significante daling in visuele kwaliteit opmerkt.
• Gebruik Content-Adaptive Shading (indien beschikbaar): Als uw GPU content-adaptive shading ondersteunt, gebruik dit dan om de shading rate dynamisch aan te passen op basis van de inhoud van de scène. Dit kan nog grotere prestatiewinsten opleveren zonder een merkbare impact op de visuele kwaliteit.
• Houd rekening met de tegelgrootte: De tegelgrootte beïnvloedt de granulariteit van de shading rate-regeling. Kleinere tegelgroottes zorgen voor preciezere controle, maar verhogen ook de overhead van het beheren van de shading rate image. Experimenteer met verschillende tegelgroottes om de optimale balans tussen precisie en prestaties te vinden.
• Gebruik VRS in combinatie met andere optimalisatietechnieken: VRS is slechts één hulpmiddel in uw optimalisatie-arsenaal. Gebruik het in combinatie met andere technieken, zoals level-of-detail (LOD) schaling, occlusion culling en textuurcompressie, om maximale prestaties te bereiken.
• Test op verschillende apparaten: Test uw applicatie op verschillende apparaten om ervoor te zorgen dat VRS correct werkt en de verwachte prestatiewinsten oplevert. Verschillende GPU's kunnen verschillende VRS-capaciteiten hebben, dus het is belangrijk om te testen op een representatieve steekproef van hardware.

Conclusie

Variable Rate Shading is een veelbelovende techniek voor het verbeteren van renderingprestaties in WebGL-applicaties. Door zorgvuldig de hardware-ondersteuning voor VRS te detecteren en de best practices in deze blogpost te volgen, kunt u VRS benutten om efficiëntere en visueel aantrekkelijkere WebGL-ervaringen te creëren. Naarmate WebGL blijft evolueren, kunnen we verwachten dat er nog meer geavanceerde VRS-functies en -technieken beschikbaar komen, waardoor ontwikkelaars nog meer mogelijkheden krijgen om verbluffende en performante web-gebaseerde graphics te maken.

Vergeet niet om altijd prioriteit te geven aan visuele kwaliteit en de prestatie-impact van VRS in uw applicatie zorgvuldig te meten. Door dit te doen, kunt u ervoor zorgen dat u VRS effectief gebruikt om de best mogelijke resultaten te behalen.