WebGL Transform Feedback Varying: Podrobno o zajemanju atributov vozlišč

Transformacijska povratna vezava (Transform Feedback) je zmogljiva funkcija WebGL, ki vam omogoča, da zajamete izhod senčilnikov vozlišč in ga uporabite kot vhod za naslednje korake upodabljanja. Ta tehnika odpira vrata širokemu naboru naprednih učinkov upodabljanja in nalog obdelave geometrije neposredno na GPE. Ključen vidik Transformacijske povratne vezave je razumevanje, kako določiti, katere atribute vozlišč je treba zajeti, znane kot "varying". Ta vodnik ponuja celovit pregled WebGL Transformacijske povratne vezave s poudarkom na zajemanju atributov vozlišč z uporabo 'varying'.

Kaj je Transformacijska povratna vezava?

Tradicionalno upodabljanje v WebGL vključuje pošiljanje podatkov o vozliščih na GPE, njihovo obdelavo s senčilniki vozlišč in fragmentov ter prikaz nastalih slikovnih pik na zaslonu. Izhod senčilnika vozlišč se po obrezovanju in perspektivni delitvi običajno zavrže. Transformacijska povratna vezava spremeni to paradigmo, saj vam omogoča, da prestrežete in shranite te rezultate po obdelavi v senčilniku vozlišč nazaj v medpomnilniški objekt.

Predstavljajte si scenarij, kjer želite simulirati fiziko delcev. Položaje delcev bi lahko posodabljali na CPE in posodobljene podatke v vsakem sličici pošiljali nazaj na GPE za upodabljanje. Transformacijska povratna vezava ponuja učinkovitejši pristop, saj fizikalne izračune (z uporabo senčilnika vozlišč) izvaja na GPE in neposredno zajame posodobljene položaje delcev nazaj v medpomnilnik, pripravljene za upodabljanje naslednje sličice. To zmanjša obremenitev CPE in izboljša zmogljivost, zlasti pri kompleksnih simulacijah.

Ključni koncepti Transformacijske povratne vezave

• Senčilnik vozlišč: Jedro Transformacijske povratne vezave. Senčilnik vozlišč izvaja izračune, katerih rezultati se zajamejo.
• Spremenljivke 'varying': To so izhodne spremenljivke iz senčilnika vozlišč, ki jih želite zajeti. Določajo, kateri atributi vozlišč se zapišejo nazaj v medpomnilniški objekt.
• Medpomnilniški objekti (Buffer Objects): Shramba, kamor se zapišejo zajeti atributi vozlišč. Ti medpomnilniki so povezani z objektom Transformacijske povratne vezave.
• Objekt Transformacijske povratne vezave: WebGL objekt, ki upravlja postopek zajemanja atributov vozlišč. Določa ciljne medpomnilnike in spremenljivke 'varying'.
• Način risanja primitivov: Določa vrsto primitivov (točke, črte, trikotniki), ki jih generira senčilnik vozlišč. To je pomembno za pravilno postavitev v medpomnilniku.

Nastavitev Transformacijske povratne vezave v WebGL

Postopek uporabe Transformacijske povratne vezave vključuje več korakov:

1. Ustvarite in konfigurirajte objekt Transformacijske povratne vezave:

   Uporabite gl.createTransformFeedback() za ustvarjanje objekta Transformacijske povratne vezave. Nato ga povežite z uporabo gl.bindTransformFeedback(gl.TRANSFORM_FEEDBACK, transformFeedback).

2. Ustvarite in povežite medpomnilniške objekte:

   Ustvarite medpomnilniške objekte z uporabo gl.createBuffer() za shranjevanje zajetih atributov vozlišč. Vsak medpomnilniški objekt povežite s ciljem gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER z uporabo gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, index, buffer). `index` ustreza vrstnemu redu spremenljivk 'varying', določenih v programu senčilnika.

3. Določite spremenljivke 'varying':

   To je ključen korak. Pred povezovanjem programa senčilnika morate WebGL-u povedati, katere izhodne spremenljivke (spremenljivke 'varying') iz senčilnika vozlišč naj se zajamejo. Uporabite gl.transformFeedbackVaryings(program, varyings, bufferMode).

   • program: Objekt programa senčilnika.
   • varyings: Polje nizov, kjer je vsak niz ime spremenljivke 'varying' v senčilniku vozlišč. Vrstni red teh spremenljivk je pomemben, saj določa indeks vezave medpomnilnika.
   • bufferMode: Določa, kako se spremenljivke 'varying' zapišejo v medpomnilniške objekte. Pogosti možnosti sta gl.SEPARATE_ATTRIBS (vsaka spremenljivka gre v ločen medpomnilnik) in gl.INTERLEAVED_ATTRIBS (vse spremenljivke so prepleteno zapisane v en sam medpomnilnik).
4. Ustvarite in prevedite senčilnike:

   Ustvarite senčilnike vozlišč in fragmentov. Senčilnik vozlišč mora izpisati spremenljivke 'varying', ki jih želite zajeti. Senčilnik fragmentov morda ne bo potreben, odvisno od vaše aplikacije. Lahko pa je koristen za odpravljanje napak.

5. Povežite program senčilnika:

   Povežite program senčilnika z uporabo gl.linkProgram(program). Pomembno je, da pokličete gl.transformFeedbackVaryings() *pred* povezovanjem programa.

6. Začnite in končajte Transformacijsko povratno vezavo:

   Za začetek zajemanja atributov vozlišč pokličite gl.beginTransformFeedback(primitiveMode), kjer primitiveMode določa vrsto generiranih primitivov (npr. gl.POINTS, gl.LINES, gl.TRIANGLES). Po upodabljanju pokličite gl.endTransformFeedback() za ustavitev zajemanja.

7. Narišite geometrijo:

   Uporabite gl.drawArrays() ali gl.drawElements() za upodabljanje geometrije. Senčilnik vozlišč se bo izvedel, in določene spremenljivke 'varying' bodo zajete v medpomnilniške objekte.

Primer: Zajemanje položajev delcev

Poglejmo si to na preprostem primeru zajemanja položajev delcev. Predpostavimo, da imamo senčilnik vozlišč, ki posodablja položaje delcev na podlagi hitrosti in gravitacije.

Senčilnik vozlišč (particle.vert)

#version 300 es

in vec3 a_position;

in vec3 a_velocity;

uniform float u_timeStep;

out vec3 v_position;

out vec3 v_velocity;

void main() {
 vec3 gravity = vec3(0.0, -9.8, 0.0);
 v_velocity = a_velocity + gravity * u_timeStep;
 v_position = a_position + v_velocity * u_timeStep;

 gl_Position = vec4(v_position, 1.0);
}

Ta senčilnik vozlišč sprejme a_position in a_velocity kot vhodna atributa. Izračuna novo hitrost in položaj vsakega delca ter rezultate shrani v spremenljivki 'varying' v_position in v_velocity. `gl_Position` je nastavljen na nov položaj za upodabljanje.

JavaScript koda

// ... Inicializacija WebGL konteksta ...

// 1. Ustvarite objekt Transformacijske povratne vezave
const transformFeedback = gl.createTransformFeedback();
gl.bindTransformFeedback(gl.TRANSFORM_FEEDBACK, transformFeedback);

// 2. Ustvarite medpomnilniške objekte za položaj in hitrost
const positionBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, particlePositions, gl.DYNAMIC_COPY); // Začetni položaji delcev

const velocityBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, velocityBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, particleVelocities, gl.DYNAMIC_COPY); // Začetne hitrosti delcev

// 3. Določite spremenljivke 'varying'
const varyings = ['v_position', 'v_velocity'];
gl.transformFeedbackVaryings(program, varyings, gl.SEPARATE_ATTRIBS);  // Klicati je treba *pred* povezovanjem programa.

// 4. Ustvarite in prevedite senčilnike (izpuščeno zaradi jedrnatosti)
// ...

// 5. Povežite program senčilnika
gl.linkProgram(program);

// Povežite medpomnilnike Transformacijske povratne vezave
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, positionBuffer);  // Indeks 0 za v_position
gl.bindBufferBase(gl.TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 1, velocityBuffer);  // Indeks 1 za v_velocity

// Pridobite lokacije atributov
const positionLocation = gl.getAttribLocation(program, 'a_position');
const velocityLocation = gl.getAttribLocation(program, 'a_velocity');

// --- Zanka upodabljanja ---
function render() {
 gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

 gl.useProgram(program);

 // Omogočite atribute
 gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
gl.vertexAttribPointer(positionLocation, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(positionLocation);

 gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, velocityBuffer);
gl.vertexAttribPointer(velocityLocation, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(velocityLocation);

 // 6. Začnite Transformacijsko povratno vezavo
 gl.enable(gl.RASTERIZER_DISCARD); // Onemogočite rasterizacijo
gl.beginTransformFeedback(gl.POINTS);

 // 7. Narišite geometrijo
 gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, numParticles);

 // 8. Končajte Transformacijsko povratno vezavo
 gl.endTransformFeedback();
gl.disable(gl.RASTERIZER_DISCARD); // Ponovno omogočite rasterizacijo

 // Zamenjajte medpomnilnike (neobvezno, če želite upodobiti točke)
 // Na primer, ponovno upodobite posodobljen medpomnilnik položajev.

 requestAnimationFrame(render);
}

render();

V tem primeru:

• Ustvarimo dva medpomnilniška objekta, enega za položaje delcev in enega za hitrosti.
• Določimo v_position in v_velocity kot spremenljivki 'varying'.
• Povežemo medpomnilnik položajev na indeks 0 in medpomnilnik hitrosti na indeks 1 medpomnilnikov Transformacijske povratne vezave.
• Onemogočimo rasterizacijo z uporabo gl.enable(gl.RASTERIZER_DISCARD), ker želimo samo zajeti podatke atributov vozlišč; v tem koraku ne želimo ničesar upodobiti. To je pomembno za zmogljivost.
• Pokličemo gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, numParticles), da izvedemo senčilnik vozlišč na vsakem delcu.
• Posodobljeni položaji in hitrosti delcev se zajamejo v medpomnilniške objekte.
• Po koraku Transformacijske povratne vezave bi lahko zamenjali vhodne in izhodne medpomnilnike ter upodobili delce na podlagi posodobljenih položajev.

Spremenljivke 'varying': Podrobnosti in premisleki

Parameter `varyings` v funkciji `gl.transformFeedbackVaryings()` je polje nizov, ki predstavljajo imena izhodnih spremenljivk iz vašega senčilnika vozlišč, ki jih želite zajeti. Te spremenljivke morajo:

• Biti deklarirane kot out spremenljivke v senčilniku vozlišč.
• Imeti ujemajoč se podatkovni tip med izhodom senčilnika vozlišč in shrambo medpomnilniškega objekta. Na primer, če je spremenljivka 'varying' tipa vec3, mora biti ustrezni medpomnilniški objekt dovolj velik za shranjevanje vrednosti vec3 za vsa vozlišča.
• Biti v pravilnem vrstnem redu. Vrstni red v polju `varyings` narekuje indeks vezave medpomnilnika. Prva spremenljivka bo zapisana v medpomnilnik z indeksom 0, druga v medpomnilnik z indeksom 1 in tako naprej.

Poravnava podatkov in postavitev medpomnilnika

Razumevanje poravnave podatkov je ključno za pravilno delovanje Transformacijske povratne vezave. Postavitev zajetih atributov vozlišč v medpomnilniških objektih je odvisna od parametra bufferMode v funkciji `gl.transformFeedbackVaryings()`:

• gl.SEPARATE_ATTRIBS: Vsaka spremenljivka 'varying' se zapiše v ločen medpomnilniški objekt. Medpomnilniški objekt, vezan na indeks 0, bo vseboval vse vrednosti za prvo spremenljivko, medpomnilniški objekt, vezan na indeks 1, bo vseboval vse vrednosti za drugo spremenljivko, in tako naprej. Ta način je na splošno enostavnejši za razumevanje in odpravljanje napak.
• gl.INTERLEAVED_ATTRIBS: Vse spremenljivke 'varying' so prepleteno zapisane v en sam medpomnilniški objekt. Na primer, če imate dve spremenljivki 'varying', v_position (vec3) in v_velocity (vec3), bo medpomnilnik vseboval zaporedje vec3 (položaj), vec3 (hitrost), vec3 (položaj), vec3 (hitrost) in tako naprej. Ta način je lahko učinkovitejši za določene primere uporabe, zlasti kadar se bodo zajeti podatki uporabili kot prepleteni atributi vozlišč v naslednjem koraku upodabljanja.

Ujemanje podatkovnih tipov

Podatkovni tipi spremenljivk 'varying' v senčilniku vozlišč morajo biti združljivi s formatom shranjevanja medpomnilniških objektov. Na primer, če deklarirate spremenljivko 'varying' kot out vec3 v_color, morate zagotoviti, da je medpomnilniški objekt dovolj velik za shranjevanje vrednosti vec3 (običajno vrednosti s plavajočo vejico) za vsa vozlišča. Neujemajoči se podatkovni tipi lahko vodijo do nepričakovanih rezultatov ali napak.

Uporaba zavračanja rasterizacije

Kadar se Transformacijska povratna vezava uporablja izključno za zajemanje podatkov atributov vozlišč (in ne za upodabljanje česarkoli v začetnem koraku), je ključno onemogočiti rasterizacijo z uporabo gl.enable(gl.RASTERIZER_DISCARD) pred klicem gl.beginTransformFeedback(). To prepreči, da bi GPE izvajal nepotrebne operacije rasterizacije, kar lahko znatno izboljša zmogljivost. Ne pozabite ponovno omogočiti rasterizacije z uporabo gl.disable(gl.RASTERIZER_DISCARD) po klicu gl.endTransformFeedback(), če nameravate nekaj upodobiti v naslednjem koraku.

Primeri uporabe Transformacijske povratne vezave

Transformacijska povratna vezava ima številne aplikacije pri upodabljanju v WebGL, vključno z:

• Sistemi delcev: Kot je prikazano v primeru, je Transformacijska povratna vezava idealna za posodabljanje položajev, hitrosti in drugih atributov delcev neposredno na GPE, kar omogoča učinkovite simulacije delcev.
• Obdelava geometrije: Transformacijsko povratno vezavo lahko uporabite za izvajanje geometrijskih transformacij, kot so deformacija mreže, subdivizija ali poenostavitev, v celoti na GPE. Predstavljajte si deformacijo modela lika za animacijo.
• Dinamika tekočin: Simulacijo pretoka tekočin na GPE je mogoče doseči s Transformacijsko povratno vezavo. Posodobite položaje in hitrosti delcev tekočine, nato pa uporabite ločen korak upodabljanja za vizualizacijo tekočine.
• Fizikalne simulacije: Na splošno lahko vsaka fizikalna simulacija, ki zahteva posodabljanje atributov vozlišč, koristi od Transformacijske povratne vezave. To lahko vključuje simulacijo blaga, dinamiko togih teles ali druge fizikalno osnovane učinke.
• Obdelava oblakov točk: Zajemanje obdelanih podatkov iz oblakov točk za vizualizacijo ali analizo. To lahko vključuje filtriranje, glajenje ali ekstrakcijo značilnosti na GPE.
• Atributi vozlišč po meri: Izračunajte atribute vozlišč po meri, kot so vektorji normal ali teksturne koordinate, na podlagi drugih podatkov o vozliščih. To je lahko uporabno za postopkovne tehnike generiranja.
• Pred-koraki pri odloženem senčenju (Deferred Shading): Zajemanje podatkov o položaju in normalah v G-medpomnilnike za cevovode odloženega senčenja. Ta tehnika omogoča kompleksnejše izračune osvetlitve.

Premisleki o zmogljivosti

Čeprav lahko Transformacijska povratna vezava ponudi znatne izboljšave zmogljivosti, je pomembno upoštevati naslednje dejavnike:

• Velikost medpomnilniškega objekta: Zagotovite, da so medpomnilniški objekti dovolj veliki za shranjevanje vseh zajetih atributov vozlišč. Dodelite pravilno velikost glede na število vozlišč in podatkovne tipe spremenljivk 'varying'.
• Obremenitev prenosa podatkov: Izogibajte se nepotrebnim prenosom podatkov med CPE in GPE. Uporabite Transformacijsko povratno vezavo za izvajanje čim več obdelave na GPE.
• Zavračanje rasterizacije: Omogočite gl.RASTERIZER_DISCARD, kadar se Transformacijska povratna vezava uporablja izključno za zajemanje podatkov.
• Kompleksnost senčilnika: Optimizirajte kodo senčilnika vozlišč, da zmanjšate računsko zahtevnost. Kompleksni senčilniki lahko vplivajo na zmogljivost, zlasti pri obdelavi velikega števila vozlišč.
• Zamenjava medpomnilnikov: Pri uporabi Transformacijske povratne vezave v zanki (npr. za simulacijo delcev) razmislite o uporabi dvojnega medpomnjenja (zamenjava vhodnih in izhodnih medpomnilnikov), da se izognete nevarnostim branja po pisanju.
• Vrsta primitiva: Izbira vrste primitiva (gl.POINTS, gl.LINES, gl.TRIANGLES) lahko vpliva na zmogljivost. Izberite najprimernejšo vrsto primitiva za svojo aplikacijo.

Odpravljanje napak pri Transformacijski povratni vezavi

Odpravljanje napak pri Transformacijski povratni vezavi je lahko zahtevno, vendar je tukaj nekaj nasvetov:

• Preverite napake: Uporabite gl.getError() za preverjanje napak WebGL po vsakem koraku pri nastavitvi Transformacijske povratne vezave.
• Preverite velikosti medpomnilnikov: Zagotovite, da so medpomnilniški objekti dovolj veliki za shranjevanje zajetih podatkov.
• Preglejte vsebino medpomnilnikov: Uporabite gl.getBufferSubData() za branje vsebine medpomnilniških objektov nazaj na CPE in preglejte zajete podatke. To lahko pomaga pri prepoznavanju težav s poravnavo podatkov ali izračuni v senčilniku.
• Uporabite razhroščevalnik: Uporabite razhroščevalnik za WebGL (npr. Spector.js) za pregled stanja WebGL in izvajanja senčilnikov. To lahko zagotovi dragocene vpoglede v postopek Transformacijske povratne vezave.
• Poenostavite senčilnik: Začnite s preprostim senčilnikom vozlišč, ki izpisuje le nekaj spremenljivk 'varying'. Postopoma dodajajte kompleksnost, ko preverite vsak korak.
• Preverite vrstni red spremenljivk 'varying': Dvakrat preverite, ali se vrstni red spremenljivk 'varying' v polju `varyings` ujema z vrstnim redom, v katerem so zapisane v senčilniku vozlišč, in z indeksi vezave medpomnilnikov.
• Onemogočite optimizacije: Začasno onemogočite optimizacije senčilnikov, da olajšate odpravljanje napak.

Združljivost in razširitve

Transformacijska povratna vezava je podprta v WebGL 2 in OpenGL ES 3.0 ter novejših različicah. V WebGL 1 razširitev OES_transform_feedback ponuja podobno funkcionalnost. Vendar pa je implementacija v WebGL 2 učinkovitejša in bogatejša s funkcijami.

Preverite podporo za razširitev z uporabo:

const transformFeedbackExtension = gl.getExtension('OES_transform_feedback');
if (transformFeedbackExtension) {
 // Uporabite razširitev
}

Zaključek

WebGL Transformacijska povratna vezava je zmogljiva tehnika za zajemanje podatkov atributov vozlišč neposredno na GPE. Z razumevanjem konceptov spremenljivk 'varying', medpomnilniških objektov in objekta Transformacijske povratne vezave lahko izkoristite to funkcijo za ustvarjanje naprednih učinkov upodabljanja, izvajanje nalog obdelave geometrije in optimizacijo svojih aplikacij WebGL. Ne pozabite skrbno pretehtati poravnave podatkov, velikosti medpomnilnikov in vplivov na zmogljivost pri implementaciji Transformacijske povratne vezave. S skrbnim načrtovanjem in odpravljanjem napak lahko sprostite polni potencial te dragocene zmožnosti WebGL.