WebGL Occlusion Queries: Synlighetstesting og ytelsesoptimalisering

Innen WebGL-utvikling er ytelse avgjørende. Komplekse scener med mange objekter kan raskt belaste GPU-en, noe som fører til tapte bilderammer og en dårlig brukeropplevelse. En kraftig teknikk for å motvirke dette er occlusion culling, der objekter som er skjult bak andre ikke renderes, noe som sparer verdifull prosesseringstid. WebGL occlusion queries gir en mekanisme for effektivt å bestemme synligheten til objekter, og muliggjør dermed effektiv occlusion culling.

Hva er WebGL Occlusion Queries?

En WebGL occlusion query er en funksjon som lar deg spørre GPU-en hvor mange fragmenter (piksler) som ble tegnet av et spesifikt sett med renderingskommandoer. I hovedsak sender du tegningskall for et objekt, og GPU-en forteller deg om noen av dets fragmenter besto dybdetesten og faktisk var synlige. Denne informasjonen kan deretter brukes til å avgjøre om objektet er okkludert av andre objekter i scenen. Hvis spørringen returnerer null (eller et veldig lite tall), betyr det at objektet var helt (eller for det meste) okkludert og ikke trenger å renderes i påfølgende bilderammer. Denne teknikken reduserer renderingsbelastningen betydelig og forbedrer ytelsen, spesielt i komplekse scener.

Hvordan Occlusion Queries fungerer: En forenklet oversikt

1. Opprett et spørringsobjekt: Du oppretter først et spørringsobjekt ved hjelp av gl.createQuery(). Dette objektet vil inneholde resultatene fra okklusjonsspørringen.
2. Start spørringen: Du starter spørringen med gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query). Målet gl.ANY_SAMPLES_PASSED spesifiserer at vi er interessert i om noen samples (fragmenter) besto dybdetesten. Andre mål finnes, som gl.ANY_SAMPLES_PASSED_CONSERVATIVE (som gir et mer konservativt resultat, potensielt med falske positiver for bedre ytelse) og gl.SAMPLES_PASSED (som teller antall samples som besto dybdetesten, avleggs i WebGL2).
3. Render det potensielt okkluderte objektet: Du sender deretter tegningskallene for objektet du vil teste synligheten til. Dette er vanligvis en forenklet omslutningsboks (bounding box) eller en grov representasjon av objektet. Å rendere en forenklet versjon reduserer ytelsespåvirkningen fra selve spørringen.
4. Avslutt spørringen: Du avslutter spørringen med gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED).
5. Hent spørringsresultatet: Spørringsresultatet er ikke umiddelbart tilgjengelig. GPU-en trenger tid til å behandle renderingskommandoene og bestemme antall fragmenter som besto. Du kan hente resultatet ved hjelp av gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT).
6. Tolk resultatet: Hvis spørringsresultatet er større enn null, betyr det at minst ett fragment av objektet var synlig. Hvis resultatet er null, betyr det at objektet var fullstendig okkludert.
7. Bruk resultatet for Occlusion Culling: Basert på spørringsresultatet kan du bestemme om du skal rendere det fullstendige, detaljerte objektet i påfølgende bilderammer.

Fordeler med å bruke Occlusion Queries

• Forbedret renderingsytelse: Ved å unngå å rendere okkluderte objekter, kan okklusjonsspørringer redusere renderingsbelastningen betydelig, noe som fører til høyere bildefrekvens og en jevnere brukeropplevelse.
• Redusert GPU-belastning: Mindre rendering betyr mindre arbeid for GPU-en, noe som kan forbedre batterilevetiden på mobile enheter og redusere varmeutvikling på stasjonære datamaskiner.
• Forbedret visuell kvalitet: Ved å optimalisere renderingsytelsen kan du tillate deg å rendere mer komplekse scener med større detaljrikdom uten å ofre bildefrekvensen.
• Skalerbarhet: Okklusjonsspørringer er spesielt fordelaktige for komplekse scener med et stort antall objekter, ettersom ytelsesgevinsten øker med scenens kompleksitet.

Utfordringer og hensyn

Selv om okklusjonsspørringer gir betydelige fordeler, er det også noen utfordringer og hensyn man må ta:

• Latens: Okklusjonsspørringer introduserer latens fordi spørringsresultatet ikke er umiddelbart tilgjengelig. GPU-en trenger tid til å behandle renderingskommandoene og bestemme antall fragmenter som besto. Denne latensen kan føre til visuelle artefakter hvis den ikke håndteres forsiktig.
• Spørrings-overhead: Utføring av okklusjonsspørringer medfører også en viss overhead. GPU-en må spore statusen for spørringen og telle fragmentene som består dybdetesten. Denne overheaden kan nøytralisere ytelsesfordelene hvis spørringene ikke brukes fornuftig.
• Konservativ okklusjon: For å minimere effekten av latens, er det ofte ønskelig å bruke konservativ okklusjon, der objekter betraktes som synlige selv om bare et lite antall fragmenter er synlige. Dette kan føre til at delvis okkluderte objekter renderes, men det unngår de visuelle artefaktene som kan oppstå med aggressiv occlusion culling.
• Valg av omslutningsvolum: Valget av omslutningsvolum (f.eks. omslutningsboks, omslutningssfære) for okklusjonsspørringen kan ha stor innvirkning på ytelsen. Enklere omslutningsvolumer er raskere å rendere, men kan resultere i flere falske positiver (dvs. objekter som betraktes som synlige selv om de for det meste er okkludert).
• Synkronisering: Å hente spørringsresultatet krever synkronisering mellom CPU og GPU. Denne synkroniseringen kan introdusere stopp (stalls) i renderings-pipelinen, noe som kan påvirke ytelsen negativt.
• Nettleser- og maskinvarekompatibilitet: Sørg for at målrettede nettlesere og maskinvare støtter okklusjonsspørringer. Selv om det er bredt støttet, kan eldre systemer mangle denne funksjonen, noe som krever reservemekanismer (fallbacks).

Beste praksis for bruk av WebGL Occlusion Queries

For å maksimere fordelene med okklusjonsspørringer og minimere utfordringene, bør du vurdere følgende beste praksis:

1. Bruk forenklede omslutningsvolumer

I stedet for å rendere det fulle, detaljerte objektet for okklusjonsspørringen, render et forenklet omslutningsvolum, som en omslutningsboks eller en omslutningssfære. Dette reduserer renderingsbelastningen og fremskynder spørringsprosessen. Omslutningsvolumet bør omslutte objektet tett for å minimere falske positiver.

Eksempel: Se for deg en kompleks 3D-modell av en bil. I stedet for å rendere hele bilmodellen for okklusjonsspørringen, kan du rendere en enkel omslutningsboks som kapsler inn bilen. Denne omslutningsboksen vil være mye raskere å rendere enn den fulle bilmodellen.

2. Bruk hierarkisk Occlusion Culling

For komplekse scener, vurder å bruke hierarkisk occlusion culling, der du organiserer objekter i et hierarki av omslutningsvolumer. Du kan deretter utføre okklusjonsspørringer på de høyere nivåene av omslutningsvolumer først. Hvis et omslutningsvolum på et høyere nivå er okkludert, kan du unngå å utføre okklusjonsspørringer på dets underliggende barn. Dette kan redusere antallet nødvendige okklusjonsspørringer betydelig.

Eksempel: Tenk deg en scene med en by. Du kan organisere bygningene i blokker, og deretter organisere blokkene i distrikter. Du kan da utføre okklusjonsspørringer på distriktene først. Hvis et distrikt er okkludert, kan du unngå å utføre okklusjonsspørringer på de individuelle blokkene og bygningene i det distriktet.

3. Utnytt bilderamme-koherens

Okklusjonsspørringer viser bilderamme-koherens (frame coherency), noe som betyr at synligheten til et objekt sannsynligvis vil være lik fra en bilderamme til den neste. Du kan utnytte denne koherensen ved å mellomlagre spørringsresultatene og bruke dem til å forutsi synligheten til objekter i påfølgende bilderammer. Dette kan redusere antallet nødvendige okklusjonsspørringer og forbedre ytelsen.

Eksempel: Hvis et objekt var synlig i forrige bilderamme, kan du anta at det sannsynligvis også er synlig i den nåværende bilderammen. Du kan da utsette å utføre en okklusjonsspørring på det objektet til det er sannsynlig at det blir okkludert (f.eks. hvis det beveger seg bak et annet objekt).

4. Vurder å bruke konservativ okklusjon

For å minimere effekten av latens, vurder å bruke konservativ okklusjon, der objekter betraktes som synlige selv om bare et lite antall fragmenter er synlige. Dette kan oppnås ved å sette en terskelverdi for spørringsresultatet. Hvis spørringsresultatet er over terskelen, betraktes objektet som synlig. Ellers betraktes det som okkludert.

Eksempel: Du kan sette en terskel på 10 fragmenter. Hvis spørringsresultatet er større enn 10, betraktes objektet som synlig. Ellers betraktes det som okkludert. Den passende terskelen vil avhenge av størrelsen og kompleksiteten til objektene i scenen din.

5. Implementer en reservemekanisme (fallback)

Ikke alle nettlesere og maskinvare støtter okklusjonsspørringer. Det er viktig å implementere en reservemekanisme som kan brukes når okklusjonsspørringer ikke er tilgjengelige. Dette kan innebære å bruke en enklere algoritme for occlusion culling eller rett og slett deaktivere occlusion culling helt.

Eksempel: Du kan sjekke om EXT_occlusion_query_boolean-utvidelsen støttes. Hvis den ikke gjør det, kan du falle tilbake på å bruke en enkel avstandsbasert culling-algoritme, der objekter som er for langt unna kameraet ikke renderes.

6. Optimaliser renderings-pipelinen

Okklusjonsspørringer er bare én brikke i puslespillet når det gjelder å optimalisere renderingsytelse. Det er også viktig å optimalisere resten av renderings-pipelinen, inkludert:

• Redusere antall tegningskall (draw calls): Gruppering av tegningskall kan redusere overheaden ved rendering betydelig.
• Bruke effektive shadere: Optimalisering av shadere kan redusere tiden som brukes på å behandle hver vertex og hvert fragment.
• Bruke mipmapping: Mipmapping kan forbedre ytelsen for teksturfiltrering.
• Redusere overdraw: Overdraw skjer når fragmenter tegnes oppå hverandre, noe som kaster bort prosesseringstid.
• Bruke instancing: Instancing lar deg rendere flere kopier av det samme objektet med ett enkelt tegningskall.

7. Asynkron henting av spørringsresultat

Å hente spørringsresultatet kan forårsake stopp (stalls) hvis GPU-en ikke er ferdig med å behandle spørringen. Å benytte seg av asynkrone hentemekanismer, hvis tilgjengelig, kan bidra til å redusere dette. Teknikker kan innebære å vente et visst antall bilderammer før resultatet hentes, eller å bruke dedikerte worker-tråder for å håndtere hentingen av spørringen, for å unngå å blokkere hovedrenderingstråden.

Kodeeksempel: En grunnleggende implementering av Occlusion Query

Her er et forenklet eksempel som demonstrerer den grunnleggende bruken av okklusjonsspørringer i WebGL:

// Opprett et spørringsobjekt const query = gl.createQuery(); // Start spørringen gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query); // Render objektet (f.eks. en omslutningsboks) gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, vertexCount); // Avslutt spørringen gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED); // Hent spørringsresultatet asynkront (eksempel med requestAnimationFrame) function checkQueryResult() { gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT_AVAILABLE, (available) => { if (available) { gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT, (result) => { const isVisible = result > 0; // Bruk synlighetsresultatet til å avgjøre om det fulle objektet skal renderes if (isVisible) { renderFullObject(); } }); } else { requestAnimationFrame(checkQueryResult); } }); } requestAnimationFrame(checkQueryResult);

Merk: Dette er et forenklet eksempel og inkluderer ikke feilhåndtering, korrekt ressursstyring eller avanserte optimaliseringsteknikker. Husk å tilpasse dette til din spesifikke scene og dine krav. Feilhåndtering, spesielt rundt støtte for utvidelser og tilgjengeligheten av spørringer, er avgjørende i produksjonsmiljøer. Tilpasninger for å håndtere ulike potensielle scenarier må også vurderes.

Occlusion Queries i virkelige applikasjoner

Okklusjonsspørringer brukes i et bredt spekter av virkelige applikasjoner, inkludert:

• Spillutvikling: Occlusion culling er en avgjørende teknikk for å optimalisere renderingsytelsen i spill, spesielt i komplekse scener med mange objekter. Eksempler inkluderer AAA-titler som renderes i en nettleser ved hjelp av WebAssembly og WebGL, samt nettbaserte casual-spill med detaljerte miljøer.
• Arkitektonisk visualisering: Okklusjonsspørringer kan brukes til å forbedre ytelsen til arkitektoniske visualiseringer, slik at brukere kan utforske store og detaljerte bygningsmodeller i sanntid. Se for deg å utforske et virtuelt museum med utallige utstillinger – occlusion culling sikrer jevn navigasjon.
• Geografiske informasjonssystemer (GIS): Okklusjonsspørringer kan brukes til å optimalisere renderingen av store og komplekse geografiske datasett, som byer og landskap. For eksempel kan visualisering av 3D-modeller av bylandskap i en nettleser for byplanleggingssimuleringer ha stor nytte av occlusion culling.
• Medisinsk bildediagnostikk: Okklusjonsspørringer kan brukes til å forbedre ytelsen til applikasjoner for medisinsk bildediagnostikk, slik at leger kan visualisere komplekse anatomiske strukturer i sanntid.
• E-handel: For nettsteder som presenterer 3D-modeller av produkter, kan okklusjonsspørringer bidra til å redusere GPU-belastningen, og sikre en jevnere opplevelse selv på mindre kraftige enheter. Tenk deg å se en 3D-modell av et komplekst møbel på en mobil enhet; occlusion culling kan bidra til å opprettholde en akseptabel bildefrekvens.

Konklusjon

WebGL occlusion queries er et kraftig verktøy for å optimalisere renderingsytelse og forbedre brukeropplevelsen i nettapplikasjoner. Ved å effektivt fjerne okkluderte objekter (culling), kan du redusere renderingsbelastningen, forbedre bildefrekvensen og muliggjøre mer komplekse og detaljerte scener. Selv om det er utfordringer å vurdere, som latens og spørrings-overhead, kan du ved å følge beste praksis og nøye vurdere applikasjonens spesifikke behov, frigjøre det fulle potensialet til okklusjonsspørringer. Ved å mestre disse teknikkene kan utviklere over hele verden levere rikere, mer engasjerende og ytelsessterke nettbaserte 3D-opplevelser.

Videre ressurser

• WebGL-spesifikasjonen: Se den offisielle WebGL-spesifikasjonen for den mest oppdaterte informasjonen om okklusjonsspørringer.
• Khronos Group: Utforsk Khronos Groups nettside for ressurser relatert til WebGL og OpenGL ES.
• Nettbaserte veiledninger og artikler: Søk etter veiledninger og artikler om WebGL occlusion queries for praktiske eksempler og avanserte teknikker.
• WebGL-demoer: Undersøk eksisterende WebGL-demoer som bruker okklusjonsspørringer for å lære av implementeringer fra den virkelige verden.