WebGL Variable Rate Shading maskinvarestøtte: Deteksjon av GPU-kapabilitet

Variable Rate Shading (VRS) er en kraftig rendringsteknikk som lar utviklere kontrollere shading-raten på tvers av forskjellige regioner på skjermen. Ved å redusere shading-raten i områder der detaljer er mindre viktige, kan VRS betydelig forbedre rendringsytelsen uten et merkbart tap i visuell kvalitet. Dette er spesielt viktig for enheter med begrensede ressurser og krevende applikasjoner som spill, simuleringer og virtuell virkelighet.

Imidlertid er VRS en maskinvareavhengig funksjon. Ikke alle GPU-er støtter det, og selv de som gjør det kan ha varierende kapabiliteter. Derfor er nøyaktig deteksjon av VRS-maskinvarestøtte det første avgjørende steget for å utnytte denne teknologien effektivt i dine WebGL-applikasjoner. Dette blogginnlegget vil guide deg gjennom prosessen med å oppdage VRS-støtte og forstå de forskjellige nivåene av kapabiliteter du kan møte.

Hva er Variable Rate Shading (VRS)?

Tradisjonelt blir hver piksel på skjermen skyggelagt (dvs. fargen beregnes) individuelt. Denne jevne shading-raten kan være sløsing, da noen områder av skjermen kanskje ikke krever så høy presisjon. For eksempel kan regioner med lav kontrast eller rask bevegelse ofte skyggelegges med en lavere rate uten en betydelig innvirkning på den oppfattede visuelle kvaliteten.

VRS lar utviklere spesifisere forskjellige shading-rater for forskjellige regioner på skjermen. Dette gjøres vanligvis ved å dele skjermen inn i fliser eller blokker og tildele en shading-rate til hver flis. En lavere shading-rate betyr at GPU-en vil skyggelegge færre piksler innenfor den flisen, noe som effektivt reduserer rendringsarbeidsmengden.

Det er vanligvis to hovedtyper av VRS:

• Coarse Pixel Shading (CPS): Denne typen VRS lar deg spesifisere shading-raten per flis. Flisstørrelsen er vanligvis liten, for eksempel 8x8 eller 16x16 piksler. CPS er en relativt enkel og effektiv form for VRS.
• Content Adaptive Shading (CAS): Denne mer avanserte formen for VRS justerer dynamisk shading-raten basert på innholdet i scenen. For eksempel kan områder med høy detaljrikdom eller bevegelse skyggelegges med en høyere rate, mens områder med lav detaljrikdom eller statisk innhold kan skyggelegges med en lavere rate. CAS krever mer sofistikert analyse av scenen, men kan gi enda større ytelsesgevinster.

Fordeler med å bruke VRS i WebGL

Implementering av VRS i dine WebGL-applikasjoner gir flere viktige fordeler:

• Forbedret ytelse: Ved å redusere shading-raten i mindre kritiske områder, kan VRS betydelig redusere rendringsarbeidsmengden, noe som fører til høyere bildefrekvenser og jevnere ytelse, spesielt på enheter med lavere ytelse.
• Økt batterilevetid: For mobile enheter og bærbare datamaskiner kan en reduksjon i rendringsarbeidsmengden føre til lengre batterilevetid, slik at brukere kan nyte applikasjonene dine i lengre perioder.
• Forbedret visuell kvalitet (i noen tilfeller): Selv om det kan virke motintuitivt, kan VRS noen ganger forbedre den visuelle kvaliteten ved å la deg tildele mer rendringsressurser til områder som er visuelt viktige. For eksempel kan du redusere shading-raten i bakgrunnen og bruke de sparte ressursene til å øke shading-raten i forgrunnen, noe som resulterer i skarpere og mer detaljerte forgrunnsobjekter.
• Skalerbarhet: VRS lar applikasjonen din skalere bedre på tvers av forskjellige maskinvarekonfigurasjoner. På avanserte GPU-er kan du bruke en høyere shading-rate for å oppnå maksimal visuell kvalitet, mens du på enklere GPU-er kan bruke en lavere shading-rate for å opprettholde akseptabel ytelse.

Oppdage VRS-maskinvarestøtte i WebGL

Før du kan begynne å bruke VRS i din WebGL-applikasjon, må du avgjøre om brukerens GPU støtter det. Dette innebærer å sjekke for tilstedeværelsen av de nødvendige WebGL-utvidelsene.

1. Sjekke for `ANGLE_variable_rate_shading`-utvidelsen

Den primære utvidelsen som aktiverer VRS i WebGL er `ANGLE_variable_rate_shading`. Du kan sjekke om den finnes ved å bruke `getExtension()`-metoden til WebGL-konteksten:

            const gl = canvas.getContext('webgl2');
if (!gl) {
  console.error('WebGL 2 is not supported.');
  return;
}

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

if (vrsExtension) {
  console.log('Variable Rate Shading is supported!');
} else {
  console.log('Variable Rate Shading is not supported.');
}

            

              
                Copy
              
            
          

Viktig merknad: `ANGLE_variable_rate_shading`-utvidelsen er en utvidelse levert av ANGLE-prosjektet (Almost Native Graphics Layer Engine). ANGLE brukes av mange nettlesere for å oversette WebGL-kall til de native grafikk-API-ene på forskjellige plattformer (f.eks. Direct3D på Windows, Metal på macOS og iOS, Vulkan på Android). Derfor indikerer tilstedeværelsen av denne utvidelsen at den underliggende grafikkdriveren og maskinvaren støtter VRS, selv om den native WebGL-implementeringen ikke direkte eksponerer VRS-funksjonalitet.

2. Undersøke VRS-kapabiliteter

Når du har bekreftet at `ANGLE_variable_rate_shading`-utvidelsen er tilgjengelig, må du undersøke de spesifikke kapabilitetene til VRS-implementeringen. Utvidelsen gir flere konstanter og metoder som lar deg spørre etter disse kapabilitetene.

a. Støttede Shading-rater

Utvidelsen definerer et sett med konstanter som representerer de støttede shading-ratene. Disse konstantene er potenser av to og indikerer antall piksler som skyggelegges per fragment.

• `gl.SHADING_RATE_1X1_PIXELS`: Skyggelegg hver piksel (1x1).
• `gl.SHADING_RATE_1X2_PIXELS`: Skyggelegg annenhver piksel horisontalt (1x2).
• `gl.SHADING_RATE_2X1_PIXELS`: Skyggelegg annenhver piksel vertikalt (2x1).
• `gl.SHADING_RATE_2X2_PIXELS`: Skyggelegg annenhver piksel i begge dimensjoner (2x2).
• `gl.SHADING_RATE_4X2_PIXELS`: Skyggelegg hver fjerde piksel horisontalt og annenhver piksel vertikalt (4x2).
• `gl.SHADING_RATE_2X4_PIXELS`: Skyggelegg annenhver piksel horisontalt og hver fjerde piksel vertikalt (2x4).
• `gl.SHADING_RATE_4X4_PIXELS`: Skyggelegg hver fjerde piksel i begge dimensjoner (4x4).

For å avgjøre hvilke shading-rater som faktisk støttes av GPU-en, kan du bruke `getSupportedShadingRates()`-metoden til utvidelsen. Denne metoden returnerer en matrise med boolske verdier, der hvert element indikerer om den tilsvarende shading-raten støttes. Rekkefølgen på elementene tilsvarer rekkefølgen på konstantene listet ovenfor.

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

  console.log('Supported 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
              
            
          

Ved å undersøke `supportedShadingRates`-matrisen kan du bestemme hvilke shading-rater du trygt kan bruke i applikasjonen din.

b. Antall Shading Rate Combiners

`shadingRateCombinerCount`-egenskapen til utvidelsen indikerer antall shading rate-kombinatorer som støttes av GPU-en. Shading rate-kombinatorer lar deg kombinere flere kilder med shading rate-informasjon for å produsere en endelig shading rate. Jo flere kombinatorer som er tilgjengelige, desto mer fleksibel kan du være i å kontrollere shading-raten.

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

            

              
                Copy
              
            
          

Typiske verdier for `shadingRateCombinerCount` er 1 eller 2. En verdi på 0 indikerer at shading rate-kombinatorer ikke støttes.

c. Støtte for Shading Rate Image

`shadingRateImage` er en tekstur som lar deg spesifisere shading-raten per flis. Utvidelsen gir en konstant, `gl.SHADING_RATE_IMAGE_OES`, som representerer teksturmålet for shading rate-bildet. For å sjekke om `shadingRateImage` støttes, kan du spørre `MAX_FRAGMENT_UNIFORM_VECTORS`-grensen. Hvis antallet tilgjengelige fragment uniform-vektorer er tilstrekkelig, støtter sannsynligvis driveren `shadingRateImage`-funksjonen. Hvis det maksimale antallet er veldig lavt, er funksjonen sannsynligvis ikke støttet.

Mens `shadingRateImage` er standardmåten å utføre coarse pixel shading på, kan maskinvareimplementeringer av VRS velge å utelate den, og det bør oppdages under kjøring.

3. Håndtering av manglende VRS-støtte

Hvis `ANGLE_variable_rate_shading`-utvidelsen ikke er tilgjengelig, eller hvis de støttede shading-ratene er begrenset, bør du elegant falle tilbake til en standard rendringssti. Dette kan innebære å bruke en høyere shading-rate eller deaktivere VRS helt. Det er avgjørende å unngå å stole på VRS hvis det ikke støttes riktig, da dette kan føre til rendringsfeil eller ytelsesproblemer.

Eksempel: Oppdage og bruke VRS i en WebGL-applikasjon

Her er et mer komplett eksempel som demonstrerer hvordan du kan oppdage VRS-støtte og bruke den til å justere shading-raten i en enkel WebGL-applikasjon:

            
// Hent WebGL2-konteksten
const canvas = document.getElementById('glCanvas');
const gl = canvas.getContext('webgl2');

if (!gl) {
  console.error('WebGL 2 støttes ikke.');
  // Fall tilbake til en rendringssti uten VRS
  return;
}

// Hent ANGLE_variable_rate_shading-utvidelsen
const vrsExtension = gl.getExtension('ANGLE_variable_rate_shading');

if (!vrsExtension) {
  console.log('Variable Rate Shading støttes ikke.');
  // Fall tilbake til en rendringssti uten VRS
  return;
}

// Sjekk støttede shading-rater
const supportedShadingRates = vrsExtension.getSupportedShadingRates();

// Bestem den laveste støttede shading-raten (utenom 1x1)
let lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_1X1_PIXELS; // Standard til 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('Laveste støttede shading rate: ' + lowestShadingRate);

// Angi shading-raten for en spesifikk region (f.eks. hele skjermen)
// Dette ville vanligvis innebære å lage et shading rate-bilde og binde det til den riktige teksturenheten.
// Følgende er et forenklet eksempel som kun setter shading-raten globalt.

// Anta at du har et program og skal til å tegne...

function drawScene(){
  // Bind riktig framebuffer (om nødvendig)

  // Kall utvidelsesfunksjonen for å sette shading-raten (forenklet eksempel)
  // I en ekte applikasjon ville dette innebære å sette opp et shading rate-bilde.
  //vrsExtension.setShadingRate(lowestShadingRate);  // Dette er en hypotetisk funksjon og vil ikke fungere, den er her som et eksempel på hva den ville gjort.

  // Tegn scenen din
  //gl.drawArrays(...);
}

// Rendringsløkke
function render() {
  // ... oppdater scenen din ...
  drawScene();
  requestAnimationFrame(render);
}

requestAnimationFrame(render);


            

              
                Copy
              
            
          

Viktige hensyn:

• Shading Rate Image: Eksempelet ovenfor gir en forenklet illustrasjon. I et reelt scenario ville du typisk laget et shading rate-bilde (en tekstur) og bundet det til en teksturenhet. Dette bildet ville inneholdt shading rate-verdiene for hver flis på skjermen. Du ville da brukt de riktige WebGL-funksjonene for å sample dette bildet i din fragment shader og anvende den tilsvarende shading-raten. Detaljene om å lage og bruke et shading rate-bilde er utenfor rammen for dette introduksjonsblogginnlegget, men vil bli dekket i fremtidige artikler.
• Ytelsesmåling: Det er avgjørende å nøye måle ytelseseffekten av VRS i applikasjonen din. Selv om VRS ofte kan forbedre ytelsen, kan det også introdusere overhead på grunn av behovet for å administrere shading rate-bildet og utføre de nødvendige beregningene i fragment shaderen. Bruk WebGL-ytelsesanalyseverktøy for å bestemme de optimale shading-ratene for din applikasjon.

Beste praksis for bruk av VRS i WebGL

For å få mest mulig ut av VRS i dine WebGL-applikasjoner, bør du vurdere følgende beste praksis:

• Prioriter visuell kvalitet: Når du velger shading-rater, prioriter visuell kvalitet fremfor ytelse. Start med en høyere shading-rate og reduser den gradvis til du merker et betydelig fall i visuell kvalitet.
• Bruk innholdsadaptiv skyggelegging (hvis tilgjengelig): Hvis din GPU støtter innholdsadaptiv skyggelegging (content-adaptive shading), bruk den til å dynamisk justere shading-raten basert på innholdet i scenen. Dette kan gi enda større ytelsesgevinster uten en merkbar innvirkning på visuell kvalitet.
• Vurder flisstørrelsen: Flisstørrelsen påvirker granulariteten til shading rate-kontrollen. Mindre flisstørrelser gir mer presis kontroll, men de øker også overheaden med å administrere shading rate-bildet. Eksperimenter med forskjellige flisstørrelser for å finne den optimale balansen mellom presisjon og ytelse.
• Bruk VRS i kombinasjon med andre optimaliseringsteknikker: VRS er bare ett verktøy i ditt optimaliseringsarsenal. Bruk det i forbindelse med andre teknikker, som level-of-detail (LOD) skalering, occlusion culling og teksturkomprimering, for å oppnå maksimal ytelse.
• Test på en rekke enheter: Test applikasjonen din på en rekke enheter for å sikre at VRS fungerer korrekt og at den gir de forventede ytelsesgevinstene. Ulike GPU-er kan ha forskjellige VRS-kapabiliteter, så det er viktig å teste på et representativt utvalg av maskinvare.

Konklusjon

Variable Rate Shading er en lovende teknikk for å forbedre rendringsytelsen i WebGL-applikasjoner. Ved å nøye oppdage VRS-maskinvarestøtte og følge beste praksis som er beskrevet i dette blogginnlegget, kan du utnytte VRS til å skape mer effektive og visuelt tiltalende WebGL-opplevelser. Ettersom WebGL fortsetter å utvikle seg, kan vi forvente å se enda mer avanserte VRS-funksjoner og -teknikker bli tilgjengelige, noe som ytterligere vil styrke utviklere til å skape imponerende og ytelsessterk web-basert grafikk.

Husk å alltid prioritere visuell kvalitet og nøye måle ytelseseffekten av VRS i applikasjonen din. Ved å gjøre det, kan du sikre at du bruker VRS effektivt for å oppnå best mulige resultater.