Suporte de Hardware para Variable Rate Shading em WebGL: Deteção da Capacidade da GPU

O Variable Rate Shading (VRS) é uma técnica de renderização poderosa que permite aos desenvolvedores controlar a taxa de sombreamento em diferentes regiões do ecrã. Ao reduzir a taxa de sombreamento em áreas onde os detalhes são menos importantes, o VRS pode melhorar significativamente o desempenho da renderização sem uma queda percetível na qualidade visual. Isto é especialmente crucial para dispositivos com recursos limitados e aplicações exigentes como jogos, simulações e realidade virtual.

No entanto, o VRS é uma funcionalidade dependente do hardware. Nem todas as GPUs o suportam e, mesmo as que o fazem, podem ter capacidades variáveis. Portanto, detetar com precisão o suporte de hardware para VRS é o primeiro passo crucial para aproveitar esta tecnologia de forma eficaz nas suas aplicações WebGL. Este artigo de blog irá guiá-lo através do processo de deteção de suporte para VRS e da compreensão dos diferentes níveis de capacidades que pode encontrar.

O que é o Variable Rate Shading (VRS)?

Tradicionalmente, cada pixel no ecrã é sombreado (ou seja, a sua cor é calculada) individualmente. Esta taxa de sombreamento uniforme pode ser um desperdício, pois algumas áreas do ecrã podem não exigir uma precisão tão alta. Por exemplo, regiões com baixo contraste ou movimento rápido podem muitas vezes ser sombreadas a uma taxa mais baixa sem um impacto significativo na qualidade visual percebida.

O VRS permite que os desenvolvedores especifiquem diferentes taxas de sombreamento para diferentes regiões do ecrã. Isto é tipicamente feito dividindo o ecrã em blocos ou 'tiles' e atribuindo uma taxa de sombreamento a cada bloco. Uma taxa de sombreamento mais baixa significa que a GPU irá sombrear menos pixels dentro desse bloco, reduzindo efetivamente a carga de trabalho de renderização.

Existem tipicamente dois tipos principais de VRS:

• Coarse Pixel Shading (CPS): Este tipo de VRS permite especificar a taxa de sombreamento por bloco. O tamanho do bloco é tipicamente pequeno, como 8x8 ou 16x16 pixels. O CPS é uma forma de VRS relativamente simples e eficiente.
• Content Adaptive Shading (CAS): Esta forma mais avançada de VRS ajusta dinamicamente a taxa de sombreamento com base no conteúdo da cena. Por exemplo, áreas com alto detalhe ou movimento podem ser sombreadas a uma taxa mais alta, enquanto áreas com baixo detalhe ou conteúdo estático podem ser sombreadas a uma taxa mais baixa. O CAS requer uma análise mais sofisticada da cena, mas pode proporcionar ganhos de desempenho ainda maiores.

Benefícios de Usar VRS em WebGL

Implementar VRS nas suas aplicações WebGL oferece várias vantagens chave:

• Desempenho Melhorado: Ao reduzir a taxa de sombreamento em áreas menos críticas, o VRS pode reduzir significativamente a carga de trabalho de renderização, levando a taxas de fotogramas mais altas e um desempenho mais suave, especialmente em dispositivos de gama baixa.
• Maior Duração da Bateria: Para dispositivos móveis e portáteis, reduzir a carga de trabalho de renderização pode traduzir-se numa maior duração da bateria, permitindo que os utilizadores desfrutem das suas aplicações por períodos mais longos.
• Qualidade Visual Melhorada (em alguns casos): Embora possa parecer contraintuitivo, o VRS pode por vezes melhorar a qualidade visual ao permitir que aloque mais recursos de renderização para áreas que são visualmente importantes. Por exemplo, poderia reduzir a taxa de sombreamento no fundo e usar os recursos economizados para aumentar a taxa de sombreamento no primeiro plano, resultando em objetos de primeiro plano mais nítidos e detalhados.
• Escalabilidade: O VRS permite que a sua aplicação se adapte melhor a diferentes configurações de hardware. Em GPUs de gama alta, pode usar uma taxa de sombreamento mais alta para alcançar a máxima qualidade visual, enquanto em GPUs de gama baixa, pode usar uma taxa de sombreamento mais baixa para manter um desempenho aceitável.

Deteção de Suporte de Hardware para VRS em WebGL

Antes de poder começar a usar VRS na sua aplicação WebGL, precisa de determinar se a GPU do utilizador o suporta. Isto envolve verificar a presença das extensões WebGL necessárias.

1. Verificar a Extensão `ANGLE_variable_rate_shading`

A principal extensão que permite o VRS em WebGL é a `ANGLE_variable_rate_shading`. Pode verificar a sua existência usando o método `getExtension()` do contexto WebGL:

            const gl = canvas.getContext('webgl2');
if (!gl) {
  console.error('WebGL 2 não é suportado.');
  return;
}

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

if (vrsExtension) {
  console.log('Variable Rate Shading é suportado!');
} else {
  console.log('Variable Rate Shading não é suportado.');
}

            

              
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Nota Importante: A extensão `ANGLE_variable_rate_shading` é uma extensão fornecida pelo projeto ANGLE (Almost Native Graphics Layer Engine). O ANGLE é usado por muitos navegadores para traduzir chamadas WebGL para as APIs gráficas nativas de diferentes plataformas (por exemplo, Direct3D no Windows, Metal no macOS e iOS, Vulkan no Android). Portanto, a presença desta extensão indica que o driver gráfico subjacente e o hardware suportam VRS, mesmo que a implementação nativa de WebGL não exponha diretamente a funcionalidade de VRS.

2. Examinar as Capacidades do VRS

Assim que confirmar que a extensão `ANGLE_variable_rate_shading` está disponível, precisa de examinar as capacidades específicas da implementação do VRS. A extensão fornece várias constantes e métodos que lhe permitem consultar essas capacidades.

a. Taxas de Sombreamento Suportadas

A extensão define um conjunto de constantes que representam as taxas de sombreamento suportadas. Estas constantes são potências de dois e indicam o número de pixels que são sombreados por fragmento.

• `gl.SHADING_RATE_1X1_PIXELS`: Sombrear cada pixel (1x1).
• `gl.SHADING_RATE_1X2_PIXELS`: Sombrear um em cada dois pixels horizontalmente (1x2).
• `gl.SHADING_RATE_2X1_PIXELS`: Sombrear um em cada dois pixels verticalmente (2x1).
• `gl.SHADING_RATE_2X2_PIXELS`: Sombrear um em cada dois pixels em ambas as dimensões (2x2).
• `gl.SHADING_RATE_4X2_PIXELS`: Sombrear um em cada quatro pixels horizontalmente e um em cada dois pixels verticalmente (4x2).
• `gl.SHADING_RATE_2X4_PIXELS`: Sombrear um em cada dois pixels horizontalmente e um em cada quatro pixels verticalmente (2x4).
• `gl.SHADING_RATE_4X4_PIXELS`: Sombrear um em cada quatro pixels em ambas as dimensões (4x4).

Para determinar quais as taxas de sombreamento que são realmente suportadas pela GPU, pode usar o método `getSupportedShadingRates()` da extensão. Este método retorna um array de booleanos, onde cada elemento indica se a taxa de sombreamento correspondente é suportada. A ordem dos elementos corresponde à ordem das constantes listadas acima.

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

  console.log('Taxas de Sombreamento Suportadas:');
  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]);
}

            

              
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Ao examinar o array `supportedShadingRates`, pode determinar quais as taxas de sombreamento que pode usar com segurança na sua aplicação.

b. Contagem de Combinadores de Taxa de Sombreamento

A propriedade `shadingRateCombinerCount` da extensão indica o número de combinadores de taxa de sombreamento que são suportados pela GPU. Os combinadores de taxa de sombreamento permitem combinar várias fontes de informação de taxa de sombreamento para produzir uma taxa de sombreamento final. Quanto mais combinadores estiverem disponíveis, mais flexível pode ser no controlo da taxa de sombreamento.

            if (vrsExtension) {
  const shadingRateCombinerCount = vrsExtension.shadingRateCombinerCount;
  console.log('Contagem de Combinadores de Taxa de Sombreamento: ' + shadingRateCombinerCount);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Valores típicos para `shadingRateCombinerCount` são 1 ou 2. Um valor de 0 indica que os combinadores de taxa de sombreamento não são suportados.

c. Suporte para Imagem de Taxa de Sombreamento

A `shadingRateImage` é uma textura que lhe permite especificar a taxa de sombreamento por bloco. A extensão fornece uma constante, `gl.SHADING_RATE_IMAGE_OES`, que representa o alvo da textura para a imagem de taxa de sombreamento. Para verificar se a `shadingRateImage` é suportada, consulte o limite `MAX_FRAGMENT_UNIFORM_VECTORS`. Se o número de vetores uniformes de fragmento disponíveis for suficiente, o driver provavelmente suporta a funcionalidade `shadingRateImage`. Se o número máximo for muito baixo, a funcionalidade provavelmente não é suportada.

Embora a `shadingRateImage` seja a forma padrão de realizar o sombreamento de pixels grosseiro (coarse pixel shading), as implementações de hardware de VRS podem optar por omiti-la, e isso deve ser detetado em tempo de execução.

3. Lidar com a Falta de Suporte para VRS

Se a extensão `ANGLE_variable_rate_shading` não estiver disponível, ou se as taxas de sombreamento suportadas forem limitadas, deve recorrer a um caminho de renderização padrão de forma controlada. Isto pode envolver o uso de uma taxa de sombreamento mais alta ou desativar o VRS completamente. É crucial evitar depender do VRS se não for devidamente suportado, pois isso pode levar a erros de renderização ou problemas de desempenho.

Exemplo: Detetar e Usar VRS numa Aplicação WebGL

Aqui está um exemplo mais completo que demonstra como detetar o suporte para VRS e usá-lo para ajustar a taxa de sombreamento numa aplicação WebGL simples:

            
// Obter o contexto WebGL2
const canvas = document.getElementById('glCanvas');
const gl = canvas.getContext('webgl2');

if (!gl) {
  console.error('WebGL 2 não é suportado.');
  // Recorrer a um caminho de renderização sem VRS
  return;
}

// Obter a extensão ANGLE_variable_rate_shading
const vrsExtension = gl.getExtension('ANGLE_variable_rate_shading');

if (!vrsExtension) {
  console.log('Variable Rate Shading não é suportado.');
  // Recorrer a um caminho de renderização sem VRS
  return;
}

// Verificar as taxas de sombreamento suportadas
const supportedShadingRates = vrsExtension.getSupportedShadingRates();

// Determinar a taxa de sombreamento mais baixa suportada (além de 1x1)
let lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_1X1_PIXELS; // Padrão para 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('Taxa de sombreamento mais baixa suportada: ' + lowestShadingRate);

// Definir a taxa de sombreamento para uma região específica (por exemplo, o ecrã inteiro)
// Isto normalmente envolveria a criação de uma imagem de taxa de sombreamento e a sua vinculação à unidade de textura apropriada.
// O seguinte é um exemplo simplificado que apenas define a taxa de sombreamento globalmente.

// Assumindo que tem um programa e está prestes a desenhar...

function drawScene(){
  // Vincular o framebuffer apropriado (se necessário)

  // Chamar a função da extensão para definir a taxa de sombreamento (exemplo simplificado)
  // Numa aplicação real, isto envolveria a configuração de uma imagem de taxa de sombreamento.
  //vrsExtension.setShadingRate(lowestShadingRate);  //Esta é uma função hipotética e não funcionará, está aqui como um exemplo do que faria.

  // Desenhar a sua cena
  //gl.drawArrays(...);
}

// Loop de renderização
function render() {
  // ... atualizar a sua cena ...
  drawScene();
  requestAnimationFrame(render);
}

requestAnimationFrame(render);


            

              
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Considerações Importantes:

• Imagem de Taxa de Sombreamento: O exemplo acima fornece uma ilustração simplificada. Num cenário do mundo real, normalmente criaria uma imagem de taxa de sombreamento (uma textura) e a vincularia a uma unidade de textura. Esta imagem conteria os valores da taxa de sombreamento para cada bloco no ecrã. Em seguida, usaria as funções WebGL apropriadas para amostrar esta imagem no seu fragment shader e aplicar a taxa de sombreamento correspondente. Os detalhes da criação e uso de uma imagem de taxa de sombreamento estão para além do âmbito deste artigo introdutório, mas serão abordados em artigos futuros.
• Medição de Desempenho: É crucial medir cuidadosamente o impacto do VRS no desempenho da sua aplicação. Embora o VRS possa muitas vezes melhorar o desempenho, também pode introduzir uma sobrecarga devido à necessidade de gerir a imagem de taxa de sombreamento e realizar os cálculos necessários no fragment shader. Use ferramentas de análise de desempenho do WebGL para determinar as taxas de sombreamento ideais para a sua aplicação.

Melhores Práticas para Usar VRS em WebGL

Para tirar o máximo proveito do VRS nas suas aplicações WebGL, considere as seguintes melhores práticas:

• Priorize a Qualidade Visual: Ao escolher as taxas de sombreamento, priorize a qualidade visual em detrimento do desempenho. Comece com uma taxa de sombreamento mais alta e reduza-a gradualmente até notar uma queda significativa na qualidade visual.
• Use Sombreamento Adaptativo ao Conteúdo (se disponível): Se a sua GPU suportar sombreamento adaptativo ao conteúdo, use-o para ajustar dinamicamente a taxa de sombreamento com base no conteúdo da cena. Isto pode proporcionar ganhos de desempenho ainda maiores sem um impacto percetível na qualidade visual.
• Considere o Tamanho do Bloco: O tamanho do bloco afeta a granularidade do controlo da taxa de sombreamento. Tamanhos de bloco menores permitem um controlo mais preciso, mas também aumentam a sobrecarga de gestão da imagem de taxa de sombreamento. Experimente com diferentes tamanhos de bloco para encontrar o equilíbrio ideal entre precisão e desempenho.
• Use o VRS em Combinação com Outras Técnicas de Otimização: O VRS é apenas uma ferramenta no seu arsenal de otimização. Use-o em conjunto com outras técnicas, como escalonamento de nível de detalhe (LOD), occlusion culling e compressão de texturas, para alcançar o máximo desempenho.
• Teste numa Variedade de Dispositivos: Teste a sua aplicação numa variedade de dispositivos para garantir que o VRS está a funcionar corretamente e que está a proporcionar os ganhos de desempenho esperados. Diferentes GPUs podem ter diferentes capacidades de VRS, por isso é importante testar numa amostra representativa de hardware.

Conclusão

O Variable Rate Shading é uma técnica promissora para melhorar o desempenho de renderização em aplicações WebGL. Ao detetar cuidadosamente o suporte de hardware para VRS e seguir as melhores práticas delineadas neste artigo, pode aproveitar o VRS para criar experiências WebGL mais eficientes e visualmente atraentes. À medida que o WebGL continua a evoluir, podemos esperar ver funcionalidades e técnicas de VRS ainda mais avançadas a tornarem-se disponíveis, capacitando ainda mais os desenvolvedores a criar gráficos baseados na web impressionantes e performáticos.

Lembre-se de priorizar sempre a qualidade visual e medir cuidadosamente o impacto do VRS no desempenho da sua aplicação. Ao fazer isso, pode garantir que está a usar o VRS de forma eficaz para alcançar os melhores resultados possíveis.