WebGL poizvedbe okluzije: Testiranje vidnosti in optimizacija zmogljivosti

Na področju razvoja WebGL je zmogljivost ključnega pomena. Kompleksni prizori s številnimi objekti lahko hitro obremenijo GPE, kar vodi do izpuščenih sličic in slabe uporabniške izkušnje. Ena od močnih tehnik za ublažitev tega je odstranjevanje zakritih objektov (occlusion culling), pri kateri se objekti, skriti za drugimi, ne upodabljajo, s čimer se prihrani dragocen čas obdelave. WebGL poizvedbe okluzije zagotavljajo mehanizem za učinkovito določanje vidnosti objektov, kar omogoča učinkovito odstranjevanje zakritih objektov.

Kaj so WebGL poizvedbe okluzije?

WebGL poizvedba okluzije je funkcionalnost, ki vam omogoča, da GPE vprašate, koliko fragmentov (pikslov) je bilo izrisanih z določenim naborom ukazov za upodabljanje. V bistvu oddate klice za izris objekta, GPE pa vam pove, ali je kateri od njegovih fragmentov uspešno prestal test globine in bil dejansko viden. Te informacije se lahko nato uporabijo za določitev, ali je objekt zakrit z drugimi objekti v prizoru. Če poizvedba vrne nič (ali zelo majhno število), to pomeni, da je bil objekt popolnoma (ali večinoma) zakrit in ga v naslednjih sličicah ni treba upodobiti. Ta tehnika znatno zmanjša obremenitev pri upodabljanju in izboljša zmogljivost, zlasti v kompleksnih prizorih.

Kako delujejo poizvedbe okluzije: Poenostavljen pregled

1. Ustvarite poizvedbeni objekt: Najprej ustvarite poizvedbeni objekt z uporabo gl.createQuery(). Ta objekt bo hranil rezultate poizvedbe okluzije.
2. Začnite poizvedbo: Poizvedbo začnete z uporabo gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query). Cilj gl.ANY_SAMPLES_PASSED določa, da nas zanima, ali so kateri koli vzorci (fragmenti) prestali test globine. Obstajajo tudi drugi cilji, kot sta gl.ANY_SAMPLES_PASSED_CONSERVATIVE (ki zagotavlja bolj konzervativen rezultat, potencialno vključno z lažno pozitivnimi rezultati za boljšo zmogljivost) in gl.SAMPLES_PASSED (ki šteje število vzorcev, ki so prestali test globine, opuščeno v WebGL2).
3. Upodobite potencialno zakrit objekt: Nato izdate klice za izris objekta, ki ga želite testirati za vidnost. To je običajno poenostavljen omejitveni kvader (bounding box) ali groba predstavitev objekta. Upodabljanje poenostavljene različice zmanjša vpliv same poizvedbe na zmogljivost.
4. Končajte poizvedbo: Poizvedbo končate z uporabo gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED).
5. Pridobite rezultat poizvedbe: Rezultat poizvedbe ni takoj na voljo. GPE potrebuje čas za obdelavo ukazov za upodabljanje in določitev števila fragmentov, ki so bili uspešni. Rezultat lahko pridobite z uporabo gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT).
6. Interpretirajte rezultat: Če je rezultat poizvedbe večji od nič, to pomeni, da je bil viden vsaj en fragment objekta. Če je rezultat nič, to pomeni, da je bil objekt popolnoma zakrit.
7. Uporabite rezultat za odstranjevanje zakritih objektov: Na podlagi rezultata poizvedbe se lahko odločite, ali boste v naslednjih sličicah upodobili celoten, podroben objekt.

Prednosti uporabe poizvedb okluzije

• Izboljšana zmogljivost upodabljanja: Z izogibanjem upodabljanju zakritih objektov lahko poizvedbe okluzije znatno zmanjšajo obremenitev pri upodabljanju, kar vodi do višjih hitrosti sličic in bolj tekoče uporabniške izkušnje.
• Zmanjšana obremenitev GPE: Manj upodabljanja pomeni manj dela za GPE, kar lahko izboljša življenjsko dobo baterije na mobilnih napravah in zmanjša segrevanje na namiznih računalnikih.
• Izboljšana vizualna natančnost: Z optimizacijo zmogljivosti upodabljanja si lahko privoščite upodabljanje kompleksnejših prizorov z več podrobnostmi, ne da bi žrtvovali hitrost sličic.
• Skalabilnost: Poizvedbe okluzije so še posebej koristne za kompleksne prizore z velikim številom objektov, saj se pridobitve na zmogljivosti povečujejo s kompleksnostjo prizora.

Izzivi in premisleki

Čeprav poizvedbe okluzije ponujajo znatne prednosti, obstajajo tudi nekateri izzivi in premisleki, ki jih je treba upoštevati:

• Zakasnitev (latenca): Poizvedbe okluzije uvajajo zakasnitev, ker rezultat poizvedbe ni takoj na voljo. GPE potrebuje čas za obdelavo ukazov za upodabljanje in določitev števila fragmentov, ki so bili uspešni. Ta zakasnitev lahko povzroči vizualne artefakte, če se je ne obravnava previdno.
• Dodatna obremenitev poizvedb: Izvajanje poizvedb okluzije povzroča tudi določeno dodatno obremenitev. GPE mora slediti stanju poizvedbe in šteti fragmente, ki prestanejo test globine. Ta dodatna obremenitev lahko izniči koristi zmogljivosti, če se poizvedbe ne uporabljajo preudarno.
• Konzervativna okluzija: Za zmanjšanje vpliva zakasnitve je pogosto zaželeno uporabiti konzervativno okluzijo, kjer se objekti štejejo za vidne, tudi če je vidno le majhno število fragmentov. To lahko vodi do upodabljanja delno zakritih objektov, vendar se s tem izognemo vizualnim artefaktom, ki se lahko pojavijo pri agresivnem odstranjevanju zakritih objektov.
• Izbira omejitvenega volumna: Izbira omejitvenega volumna (npr. omejitveni kvader, omejitvena sfera) za poizvedbo okluzije lahko znatno vpliva na zmogljivost. Enostavnejše omejitvene volumne je hitreje upodobiti, vendar lahko povzročijo več lažno pozitivnih rezultatov (tj. objektov, ki se štejejo za vidne, čeprav so večinoma zakriti).
• Sinhronizacija: Pridobivanje rezultata poizvedbe zahteva sinhronizacijo med CPE in GPE. Ta sinhronizacija lahko povzroči zastoje v cevovodu upodabljanja, kar lahko negativno vpliva na zmogljivost.
• Združljivost brskalnikov in strojne opreme: Prepričajte se, da ciljni brskalniki in strojna oprema podpirajo poizvedbe okluzije. Čeprav so široko podprte, starejši sistemi morda nimajo te funkcije, kar zahteva rezervne mehanizme.

Najboljše prakse za uporabo WebGL poizvedb okluzije

Da bi povečali koristi poizvedb okluzije in zmanjšali izzive, upoštevajte naslednje najboljše prakse:

1. Uporabite poenostavljene omejitvene volumne

Namesto upodabljanja celotnega, podrobnega objekta za poizvedbo okluzije, upodobite poenostavljen omejitveni volumen, kot je omejitveni kvader ali omejitvena sfera. To zmanjša obremenitev pri upodabljanju in pospeši postopek poizvedbe. Omejitveni volumen naj tesno obdaja objekt, da se zmanjša število lažno pozitivnih rezultatov.

Primer: Predstavljajte si kompleksen 3D model avtomobila. Namesto da bi za poizvedbo okluzije upodobili celoten model avtomobila, bi lahko upodobili preprost omejitveni kvader, ki zaobjema avto. Ta omejitveni kvader bo veliko hitreje upodobljen kot celoten model avtomobila.

2. Uporabite hierarhično odstranjevanje zakritih objektov

Za kompleksne prizore razmislite o uporabi hierarhičnega odstranjevanja zakritih objektov, kjer objekte organizirate v hierarhijo omejitvenih volumnov. Nato lahko najprej izvedete poizvedbe okluzije na višjih nivojih omejitvenih volumnov. Če je omejitveni volumen višjega nivoja zakrit, se lahko izognete izvajanju poizvedb okluzije na njegovih podrejenih elementih. To lahko znatno zmanjša število potrebnih poizvedb okluzije.

Primer: Predstavljajte si prizor z mestom. Stavbe bi lahko organizirali v bloke, te pa nato v okrožja. Najprej bi lahko izvedli poizvedbe okluzije na okrožjih. Če je okrožje zakrito, se lahko izognete izvajanju poizvedb okluzije na posameznih blokih in stavbah znotraj tega okrožja.

3. Uporabite koherenco med sličicami

Poizvedbe okluzije kažejo koherenco med sličicami, kar pomeni, da bo vidnost objekta verjetno podobna iz ene sličice v drugo. To koherenco lahko izkoristite tako, da rezultate poizvedb shranite v predpomnilnik in jih uporabite za napovedovanje vidnosti objektov v naslednjih sličicah. To lahko zmanjša število potrebnih poizvedb okluzije in izboljša zmogljivost.

Primer: Če je bil objekt viden v prejšnji sličici, lahko predpostavite, da bo verjetno viden tudi v trenutni sličici. Nato lahko odložite izvajanje poizvedbe okluzije na tem objektu, dokler ni verjetno, da bo zakrit (npr. če se premakne za drug objekt).

4. Razmislite o uporabi konzervativne okluzije

Da bi zmanjšali vpliv zakasnitve, razmislite o uporabi konzervativne okluzije, kjer se objekti štejejo za vidne, tudi če je vidno le majhno število fragmentov. To lahko dosežete z nastavitvijo praga na rezultatu poizvedbe. Če je rezultat poizvedbe nad pragom, se objekt šteje za vidnega. V nasprotnem primeru se šteje za zakritega.

Primer: Lahko bi nastavili prag 10 fragmentov. Če je rezultat poizvedbe večji od 10, se objekt šteje za vidnega. V nasprotnem primeru se šteje za zakritega. Ustrezen prag bo odvisen od velikosti in kompleksnosti objektov v vašem prizoru.

5. Implementirajte rezervni mehanizem

Vsi brskalniki in strojna oprema ne podpirajo poizvedb okluzije. Pomembno je, da implementirate rezervni mehanizem, ki se lahko uporabi, ko poizvedbe okluzije niso na voljo. To bi lahko vključevalo uporabo enostavnejšega algoritma za odstranjevanje zakritih objektov ali preprosto popolno onemogočanje le-tega.

Primer: Lahko bi preverili, ali je podprta razširitev EXT_occlusion_query_boolean. Če ni, bi se lahko zatekli k uporabi preprostega algoritma za odstranjevanje na podlagi razdalje, kjer se objekti, ki so predaleč od kamere, ne upodabljajo.

6. Optimizirajte cevovod upodabljanja

Poizvedbe okluzije so le en del sestavljanke, ko gre za optimizacijo zmogljivosti upodabljanja. Pomembno je tudi optimizirati preostali del cevovoda upodabljanja, vključno z:

• Zmanjšanjem števila klicev za izris: Združevanje klicev za izris lahko znatno zmanjša dodatno obremenitev pri upodabljanju.
• Uporabo učinkovitih senčilnikov: Optimizacija senčilnikov lahko zmanjša čas, porabljen za obdelavo vsakega temena in fragmenta.
• Uporabo mipmappinga: Mipmapping lahko izboljša zmogljivost filtriranja tekstur.
• Zmanjšanjem prekrivanja (overdraw): Prekrivanje se zgodi, ko se fragmenti rišejo drug čez drugega, kar zapravlja čas obdelave.
• Uporabo instanciranja: Instanciranje omogoča upodabljanje več kopij istega objekta z enim samim klicem za izris.

7. Asinhrono pridobivanje rezultatov poizvedb

Pridobivanje rezultata poizvedbe lahko povzroči zastoje, če GPE še ni končal obdelave poizvedbe. Uporaba asinhronih mehanizmov za pridobivanje, če so na voljo, lahko to ublaži. Tehnike lahko vključujejo čakanje določenega števila sličic pred pridobivanjem rezultata ali uporabo namenskih delovnih niti (worker threads) za obravnavo postopka pridobivanja poizvedb, kar preprečuje blokiranje glavne niti za upodabljanje.

Primer kode: Osnovna implementacija poizvedbe okluzije

Tukaj je poenostavljen primer, ki prikazuje osnovno uporabo poizvedb okluzije v WebGL:

// Ustvarite poizvedbeni objekt const query = gl.createQuery(); // Začnite poizvedbo gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query); // Upodobite objekt (npr. omejitveni kvader) gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, vertexCount); // Končajte poizvedbo gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED); // Asinhrono pridobite rezultat poizvedbe (primer z uporabo requestAnimationFrame) function checkQueryResult() { gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT_AVAILABLE, (available) => { if (available) { gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT, (result) => { const isVisible = result > 0; // Uporabite rezultat vidnosti za odločitev, ali upodobiti celoten objekt if (isVisible) { renderFullObject(); } }); } else { requestAnimationFrame(checkQueryResult); } }); } requestAnimationFrame(checkQueryResult);

Opomba: To je poenostavljen primer in ne vključuje obravnavanja napak, pravilnega upravljanja z viri ali naprednih tehnik optimizacije. Ne pozabite tega prilagoditi svojemu specifičnemu prizoru in zahtevam. Obravnavanje napak, zlasti v zvezi s podporo razširitev in razpoložljivostjo poizvedb, je v produkcijskih okoljih ključnega pomena. Prav tako bi bilo treba upoštevati prilagoditve za obravnavo različnih možnih scenarijev.

Poizvedbe okluzije v resničnih aplikacijah

Poizvedbe okluzije se uporabljajo v širokem spektru resničnih aplikacij, vključno z:

• Razvoj iger: Odstranjevanje zakritih objektov je ključna tehnika za optimizacijo zmogljivosti upodabljanja v igrah, zlasti v kompleksnih prizorih z veliko objekti. Primeri vključujejo AAA naslove, upodobljene v brskalniku z uporabo WebAssembly in WebGL, pa tudi spletne priložnostne igre s podrobnimi okolji.
• Arhitekturna vizualizacija: Poizvedbe okluzije se lahko uporabijo za izboljšanje zmogljivosti arhitekturnih vizualizacij, kar uporabnikom omogoča raziskovanje velikih in podrobnih modelov stavb v realnem času. Predstavljajte si raziskovanje virtualnega muzeja z neštetimi eksponati - odstranjevanje zakritih objektov zagotavlja tekočo navigacijo.
• Geografski informacijski sistemi (GIS): Poizvedbe okluzije se lahko uporabijo za optimizacijo upodabljanja velikih in kompleksnih geografskih podatkovnih nizov, kot so mesta in pokrajine. Na primer, vizualizacija 3D modelov mestnih pokrajin v spletnem brskalniku za simulacije urbanističnega načrtovanja lahko močno pridobi z odstranjevanjem zakritih objektov.
• Medicinsko slikanje: Poizvedbe okluzije se lahko uporabijo za izboljšanje zmogljivosti aplikacij za medicinsko slikanje, kar zdravnikom omogoča vizualizacijo kompleksnih anatomskih struktur v realnem času.
• E-trgovina: Na spletnih straneh, ki predstavljajo 3D modele izdelkov, lahko poizvedbe okluzije pomagajo zmanjšati obremenitev GPE, kar zagotavlja bolj tekočo izkušnjo tudi na manj zmogljivih napravah. Pomislite na ogled 3D modela kompleksnega kosa pohištva na mobilni napravi; odstranjevanje zakritih objektov lahko pomaga ohranjati sprejemljivo hitrost sličic.

Zaključek

WebGL poizvedbe okluzije so močno orodje za optimizacijo zmogljivosti upodabljanja in izboljšanje uporabniške izkušnje v spletnih aplikacijah. Z učinkovitim odstranjevanjem zakritih objektov lahko zmanjšate obremenitev pri upodabljanju, izboljšate hitrosti sličic in omogočite bolj kompleksne in podrobne prizore. Čeprav obstajajo izzivi, ki jih je treba upoštevati, kot sta zakasnitev in dodatna obremenitev poizvedb, lahko z upoštevanjem najboljših praks in skrbnim premislekom o specifičnih potrebah vaše aplikacije sprostite celoten potencial poizvedb okluzije. Z obvladovanjem teh tehnik lahko razvijalci po vsem svetu zagotovijo bogatejše, bolj poglobljene in zmogljive spletne 3D izkušnje.

Dodatni viri

• Specifikacija WebGL: Za najnovejše informacije o poizvedbah okluzije si oglejte uradno specifikacijo WebGL.
• Skupina Khronos: Raziščite spletno stran skupine Khronos za vire, povezane z WebGL in OpenGL ES.
• Spletni vodiči in članki: Poiščite spletne vodiče in članke o WebGL poizvedbah okluzije za praktične primere in napredne tehnike.
• WebGL demonstracije: Preučite obstoječe WebGL demonstracije, ki uporabljajo poizvedbe okluzije, da se naučite iz resničnih implementacij.