Instančni atributi WebGL: Učinkovito upravljanje podatkov o instancah

V sodobni 3D grafiki je izrisovanje številnih podobnih objektov pogosta naloga. Pomislite na scenarije, kot so prikaz gozda dreves, množice ljudi ali roja delcev. Naivno izrisovanje vsakega objekta posebej je lahko računsko potratno, kar vodi v ozka grla pri zmogljivosti. Instančno izrisovanje v WebGL ponuja zmogljivo rešitev, saj omogoča risanje več instanc istega objekta z različnimi atributi z enim samim klicem za izris. To drastično zmanjša obremenitev, povezano z večkratnimi klici za izris, in znatno izboljša zmogljivost izrisovanja. Ta članek ponuja celovit vodnik za razumevanje in implementacijo instančnih atributov WebGL.

Razumevanje instančnega izrisovanja

Instančno izrisovanje je tehnika, ki omogoča risanje več instanc iste geometrije z različnimi atributi (npr. položaj, rotacija, barva) z enim samim klicem za izris. Namesto da bi večkrat pošiljali iste podatke o geometriji, jih pošljete enkrat, skupaj z nizom atributov za posamezno instanco. GPE nato uporabi te atribute za vsako instanco, da spremeni izris vsake instance. To zmanjša obremenitev CPE in pasovno širino pomnilnika, kar vodi do znatnih izboljšav zmogljivosti.

Prednosti instančnega izrisovanja

• Manjša obremenitev CPE: Zmanjša število klicev za izris, kar zmanjša obdelavo na strani CPE.
• Izboljšana pasovna širina pomnilnika: Podatki o geometriji se pošljejo le enkrat, kar zmanjša prenos podatkov.
• Povečana zmogljivost izrisovanja: Splošno izboljšanje števila sličic na sekundo (FPS) zaradi zmanjšane obremenitve.

Predstavitev instančnih atributov

Instančni atributi so atributi točk, ki se nanašajo na posamezne instance in ne na posamezne točke. So ključni za instančno izrisovanje, saj zagotavljajo edinstvene podatke, potrebne za razlikovanje vsake instance geometrije. V WebGL so instančni atributi vezani na objekte medpomnilnika točk (VBO) in konfigurirani z uporabo posebnih razširitev WebGL ali, po možnosti, z osnovno funkcionalnostjo WebGL2.

Ključni koncepti

• Podatki o geometriji: Osnovna geometrija, ki jo je treba izrisati (npr. kocka, sfera, model drevesa). Ti so shranjeni v običajnih atributih točk.
• Podatki o instanci: Podatki, ki se razlikujejo za vsako instanco (npr. položaj, rotacija, velikost, barva). Ti so shranjeni v instančnih atributih.
• Senčilnik točk: Program senčilnika, odgovoren za transformacijo točk na podlagi podatkov o geometriji in instanci.
• gl.drawArraysInstanced() / gl.drawElementsInstanced(): Funkciji WebGL, ki se uporabljata za začetek instančnega izrisovanja.

Implementacija instančnih atributov v WebGL2

WebGL2 ponuja izvorno podporo za instančno izrisovanje, kar naredi implementacijo čistejšo in učinkovitejšo. Sledi vodnik po korakih:

1. korak: Ustvarjanje in vezava podatkov o instanci

Najprej morate ustvariti medpomnilnik za shranjevanje podatkov o instanci. Ti podatki običajno vključujejo atribute, kot so položaj, rotacija (predstavljena kot kvaternioni ali Eulerjevi koti), velikost in barva. Ustvarimo preprost primer, kjer ima vsaka instanca drugačen položaj in barvo:

            
// Number of instances
const numInstances = 1000;

// Create arrays to store instance data
const instancePositions = new Float32Array(numInstances * 3); // x, y, z for each instance
const instanceColors = new Float32Array(numInstances * 4);    // r, g, b, a for each instance

// Populate the instance data (example: random positions and colors)
for (let i = 0; i < numInstances; ++i) {
 const x = (Math.random() - 0.5) * 20; // Range: -10 to 10
 const y = (Math.random() - 0.5) * 20;
 const z = (Math.random() - 0.5) * 20;
 instancePositions[i * 3 + 0] = x;
 instancePositions[i * 3 + 1] = y;
 instancePositions[i * 3 + 2] = z;

 const r = Math.random();
 const g = Math.random();
 const b = Math.random();
 const a = 1.0;
 instanceColors[i * 4 + 0] = r;
 instanceColors[i * 4 + 1] = g;
 instanceColors[i * 4 + 2] = b;
 instanceColors[i * 4 + 3] = a;
}

// Create a buffer for instance positions
const positionBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, instancePositions, gl.STATIC_DRAW);

// Create a buffer for instance colors
const colorBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, colorBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, instanceColors, gl.STATIC_DRAW);

            

              
                Copy
              
            
          

2. korak: Nastavitev atributov točk

Nato morate konfigurirati atribute točk v senčilniku točk za uporabo podatkov o instanci. To vključuje določitev lokacije atributa, medpomnilnika in delitelja. Delitelj je ključen: delitelj 0 pomeni, da se atribut spreminja na točko, medtem ko delitelj 1 pomeni, da se spreminja na instanco. Višje vrednosti pomenijo, da se spreminja vsakih *n* instanc.

            
// Get attribute locations from the shader program
const positionAttributeLocation = gl.getAttribLocation(shaderProgram, "instancePosition");
const colorAttributeLocation = gl.getAttribLocation(shaderProgram, "instanceColor");

// Configure the position attribute
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
gl.vertexAttribPointer(
 positionAttributeLocation,
 3,          // Size: 3 components (x, y, z)
 gl.FLOAT,   // Type: Float
 false,      // Normalized: No
 0,          // Stride: 0 (tightly packed)
 0           // Offset: 0
);
gl.enableVertexAttribArray(positionAttributeLocation);

// Set the divisor to 1, indicating that this attribute changes per instance
gl.vertexAttribDivisor(positionAttributeLocation, 1);

// Configure the color attribute
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, colorBuffer);
gl.vertexAttribPointer(
 colorAttributeLocation,
 4,          // Size: 4 components (r, g, b, a)
 gl.FLOAT,   // Type: Float
 false,      // Normalized: No
 0,          // Stride: 0 (tightly packed)
 0           // Offset: 0
);
gl.enableVertexAttribArray(colorAttributeLocation);

// Set the divisor to 1, indicating that this attribute changes per instance
gl.vertexAttribDivisor(colorAttributeLocation, 1);

            

              
                Copy
              
            
          

3. korak: Pisanje senčilnika točk

            
#version 300 es

in vec3 a_position; // Vertex position (geometry data)
in vec3 instancePosition; // Instance position (instanced attribute)
in vec4 instanceColor;    // Instance color (instanced attribute)

out vec4 v_color;

uniform mat4 u_modelViewProjectionMatrix;

void main() {
 vec4 worldPosition = vec4(a_position, 1.0) + vec4(instancePosition, 0.0);
 gl_Position = u_modelViewProjectionMatrix * worldPosition;
 v_color = instanceColor;
}

            

              
                Copy
              
            
          

4. korak: Izrisovanje instanc

Na koncu lahko izrišete instance z uporabo gl.drawArraysInstanced() ali gl.drawElementsInstanced().

            
// Bind the vertex array object (VAO) containing the geometry data
gl.bindVertexArray(vao);

// Set the model-view-projection matrix (assuming it's already calculated)
gl.uniformMatrix4fv(u_modelViewProjectionMatrixLocation, false, modelViewProjectionMatrix);

// Draw the instances
gl.drawArraysInstanced(
 gl.TRIANGLES, // Mode: Triangles
 0,            // First: 0 (start at the beginning of the vertex array)
 numVertices,  // Count: Number of vertices in the geometry
 numInstances  // InstanceCount: Number of instances to draw
);

            

              
                Copy
              
            
          

Implementacija instančnih atributov v WebGL1 (z razširitvami)

WebGL1 izvorno ne podpira instančnega izrisovanja. Vendar pa lahko uporabite razširitev ANGLE_instanced_arrays za doseganje enakega rezultata. Razširitev uvaja nove funkcije za nastavitev in izrisovanje instanc.

1. korak: Pridobitev razširitve

Najprej morate pridobiti razširitev z uporabo gl.getExtension().

            
const ext = gl.getExtension('ANGLE_instanced_arrays');
if (!ext) {
 console.error('ANGLE_instanced_arrays extension is not supported.');
 return;
}

            

              
                Copy
              
            
          

2. korak: Ustvarjanje in vezava podatkov o instanci

Ta korak je enak kot v WebGL2. Ustvarite medpomnilnike in jih napolnite s podatki o instanci.

3. korak: Nastavitev atributov točk

Glavna razlika je funkcija, ki se uporablja za nastavitev delitelja. Namesto gl.vertexAttribDivisor() uporabite ext.vertexAttribDivisorANGLE().

            
// Get attribute locations from the shader program
const positionAttributeLocation = gl.getAttribLocation(shaderProgram, "instancePosition");
const colorAttributeLocation = gl.getAttribLocation(shaderProgram, "instanceColor");

// Configure the position attribute
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
gl.vertexAttribPointer(
 positionAttributeLocation,
 3,          // Size: 3 components (x, y, z)
 gl.FLOAT,   // Type: Float
 false,      // Normalized: No
 0,          // Stride: 0 (tightly packed)
 0           // Offset: 0
);
gl.enableVertexAttribArray(positionAttributeLocation);

// Set the divisor to 1, indicating that this attribute changes per instance
ext.vertexAttribDivisorANGLE(positionAttributeLocation, 1);

// Configure the color attribute
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, colorBuffer);
gl.vertexAttribPointer(
 colorAttributeLocation,
 4,          // Size: 4 components (r, g, b, a)
 gl.FLOAT,   // Type: Float
 false,      // Normalized: No
 0,          // Stride: 0 (tightly packed)
 0           // Offset: 0
);
gl.enableVertexAttribArray(colorAttributeLocation);

// Set the divisor to 1, indicating that this attribute changes per instance
ext.vertexAttribDivisorANGLE(colorAttributeLocation, 1);

            

              
                Copy
              
            
          

4. korak: Izrisovanje instanc

Podobno je drugačna tudi funkcija za izrisovanje instanc. Namesto gl.drawArraysInstanced() in gl.drawElementsInstanced() uporabite ext.drawArraysInstancedANGLE() in ext.drawElementsInstancedANGLE().

            
// Bind the vertex array object (VAO) containing the geometry data
gl.bindVertexArray(vao);

// Set the model-view-projection matrix (assuming it's already calculated)
gl.uniformMatrix4fv(u_modelViewProjectionMatrixLocation, false, modelViewProjectionMatrix);

// Draw the instances
ext.drawArraysInstancedANGLE(
 gl.TRIANGLES, // Mode: Triangles
 0,            // First: 0 (start at the beginning of the vertex array)
 numVertices,  // Count: Number of vertices in the geometry
 numInstances  // InstanceCount: Number of instances to draw
);

            

              
                Copy
              
            
          

Premisleki o senčilnikih

Senčilnik točk igra ključno vlogo pri instančnem izrisovanju. Odgovoren je za združevanje podatkov o geometriji s podatki o instanci za izračun končnega položaja točke in drugih atributov. Sledi nekaj ključnih premislekov:

Dostop do atributov

Zagotovite, da senčilnik točk pravilno deklarira in dostopa tako do običajnih atributov točk kot do instančnih atributov. Uporabite pravilne lokacije atributov, pridobljene z gl.getAttribLocation().

Transformacija

Uporabite potrebne transformacije na geometriji na podlagi podatkov o instanci. To lahko vključuje premikanje, rotacijo in spreminjanje velikosti geometrije na podlagi položaja, rotacije in velikosti instance.

Interpolacija podatkov

Vse pomembne podatke (npr. barva, koordinate teksture) posredujte senčilniku fragmentov za nadaljnjo obdelavo. Ti podatki se lahko interpolirajo glede na položaje točk.

Tehnike optimizacije

Čeprav instančno izrisovanje prinaša znatne izboljšave zmogljivosti, obstaja več tehnik optimizacije, ki jih lahko uporabite za nadaljnje povečanje učinkovitosti izrisovanja.

Pakiranje podatkov

Združite povezane podatke o instanci v en sam medpomnilnik, da zmanjšate število vezav medpomnilnikov in klicev kazalcev na atribute. Na primer, lahko združite položaj, rotacijo in velikost v en sam medpomnilnik.

Poravnava podatkov

Zagotovite, da so podatki o instanci pravilno poravnani v pomnilniku, da izboljšate zmogljivost dostopa do pomnilnika. To lahko vključuje dodajanje praznega prostora (padding) podatkom, da se vsak atribut začne na pomnilniškem naslovu, ki je večkratnik njegove velikosti.

Odrezovanje izven vidnega polja (Frustum Culling)

Implementirajte odrezovanje izven vidnega polja, da se izognete izrisovanju instanc, ki so zunaj vidnega polja kamere. To lahko znatno zmanjša število instanc, ki jih je treba obdelati, zlasti v prizorih z velikim številom instanc.

Raven podrobnosti (LOD)

Uporabite različne ravni podrobnosti za instance glede na njihovo oddaljenost od kamere. Instance, ki so daleč, se lahko izrišejo z nižjo stopnjo podrobnosti, kar zmanjša število točk, ki jih je treba obdelati.

Razvrščanje instanc

Razvrstite instance glede na njihovo oddaljenost od kamere, da zmanjšate prekrivanje (overdraw). Izrisovanje instanc od spredaj nazaj lahko izboljša zmogljivost izrisovanja, zlasti v prizorih z veliko prekrivajočimi se instancami.

Primeri iz resničnega sveta

Instančno izrisovanje se uporablja v širokem spektru aplikacij. Sledi nekaj primerov:

Izrisovanje gozda

Izrisovanje gozda dreves je klasičen primer, kjer se lahko uporabi instančno izrisovanje. Vsako drevo je instanca iste geometrije, vendar z različnimi položaji, rotacijami in velikostmi. Pomislite na amazonski pragozd ali gozdove sekvoj v Kaliforniji - obe okolji bi bilo brez takšnih tehnik skoraj nemogoče izrisati.

Simulacija množice

Simulacijo množice ljudi ali živali je mogoče učinkovito doseči z instančnim izrisovanjem. Vsaka oseba ali žival je instanca iste geometrije, vendar z različnimi animacijami, oblačili in dodatki. Predstavljajte si simulacijo živahne tržnice v Marakešu ali gosto poseljene ulice v Tokiu.

Sistemi delcev

Sisteme delcev, kot so ogenj, dim ali eksplozije, je mogoče izrisati z instančnim izrisovanjem. Vsak delec je instanca iste geometrije (npr. štirikotnik ali sfera), vendar z različnimi položaji, velikostmi in barvami. Vizualizirajte ognjemet nad pristaniščem v Sydneyju ali polarni sij - vsak primer zahteva učinkovito izrisovanje tisočih delcev.

Arhitekturna vizualizacija

Zapolnjevanje velikega arhitekturnega prizora s številnimi enakimi ali podobnimi elementi, kot so okna, stoli ali luči, lahko močno koristi instančnemu izrisovanju. To omogoča učinkovito izrisovanje podrobnih in realističnih okolij. Pomislite na virtualni ogled muzeja Louvre ali Tadž Mahala - kompleksni prizori z veliko ponavljajočimi se elementi.

Zaključek

Instančni atributi WebGL zagotavljajo zmogljiv in učinkovit način za izrisovanje številnih podobnih objektov. Z uporabo instančnega izrisovanja lahko znatno zmanjšate obremenitev CPE, izboljšate pasovno širino pomnilnika in povečate zmogljivost izrisovanja. Ne glede na to, ali razvijate igro, simulacijo ali vizualizacijsko aplikacijo, je razumevanje in implementacija instančnega izrisovanja lahko ključnega pomena. Z razpoložljivostjo izvorne podpore v WebGL2 in razširitve ANGLE_instanced_arrays v WebGL1 je instančno izrisovanje dostopno širokemu krogu razvijalcev. S sledenjem korakom, opisanim v tem članku, in uporabo obravnavanih tehnik optimizacije lahko ustvarite vizualno osupljive in zmogljive 3D grafične aplikacije, ki premikajo meje mogočega v brskalniku.