WebGL Hårdvarustöd för Variabel Skuggningshastighet: Detektering av GPU-kapacitet

Variabel skuggningshastighet (VRS) är en kraftfull renderingsteknik som låter utvecklare styra skuggningshastigheten över olika delar av skärmen. Genom att minska skuggningshastigheten i områden där detaljer är mindre viktiga kan VRS avsevärt förbättra renderingsprestandan utan en märkbar försämring av den visuella kvaliteten. Detta är särskilt viktigt för enheter med begränsade resurser och krävande applikationer som spel, simuleringar och virtuell verklighet.

VRS är dock en hårdvaruberoende funktion. Inte alla GPU:er stöder den, och även de som gör det kan ha varierande kapacitet. Därför är noggrann detektering av VRS-hårdvarustöd det första avgörande steget för att kunna utnyttja denna teknik effektivt i dina WebGL-applikationer. Detta blogginlägg kommer att guida dig genom processen att detektera VRS-stöd och förstå de olika nivåerna av kapacitet du kan stöta på.

Vad är Variabel Skuggningshastighet (VRS)?

Traditionellt sett skuggas (dvs. dess färg beräknas) varje pixel på skärmen individuellt. Denna enhetliga skuggningshastighet kan vara slösaktig, eftersom vissa delar av skärmen kanske inte kräver så hög precision. Till exempel kan regioner med låg kontrast eller snabb rörelse ofta skuggas med en lägre hastighet utan en betydande inverkan på den upplevda visuella kvaliteten.

VRS låter utvecklare specificera olika skuggningshastigheter för olika delar av skärmen. Detta görs vanligtvis genom att dela upp skärmen i rutor (tiles) eller block och tilldela en skuggningshastighet till varje ruta. En lägre skuggningshastighet innebär att GPU:n kommer att skugga färre pixlar inom den rutan, vilket effektivt minskar renderingsarbetsbelastningen.

Det finns vanligtvis två huvudtyper av VRS:

• Coarse Pixel Shading (CPS): Denna typ av VRS låter dig specificera skuggningshastigheten per ruta. Storleken på en ruta är vanligtvis liten, såsom 8x8 eller 16x16 pixlar. CPS är en relativt enkel och effektiv form av VRS.
• Content Adaptive Shading (CAS): Denna mer avancerade form av VRS justerar dynamiskt skuggningshastigheten baserat på innehållet i scenen. Till exempel kan områden med hög detaljrikedom eller mycket rörelse skuggas med en högre hastighet, medan områden med låg detaljrikedom eller statiskt innehåll kan skuggas med en lägre hastighet. CAS kräver en mer sofistikerad analys av scenen, men kan ge ännu större prestandavinster.

Fördelar med att använda VRS i WebGL

Att implementera VRS i dina WebGL-applikationer erbjuder flera viktiga fördelar:

• Förbättrad prestanda: Genom att minska skuggningshastigheten i mindre kritiska områden kan VRS avsevärt minska renderingsarbetsbelastningen, vilket leder till högre bildfrekvenser och smidigare prestanda, särskilt på enklare enheter.
• Ökad batteritid: För mobila enheter och bärbara datorer kan en minskad renderingsarbetsbelastning leda till längre batteritid, vilket gör att användare kan njuta av dina applikationer under längre perioder.
• Förbättrad visuell kvalitet (i vissa fall): Även om det kan verka motsägelsefullt kan VRS ibland förbättra den visuella kvaliteten genom att låta dig allokera mer renderingsresurser till områden som är visuellt viktiga. Du kan till exempel minska skuggningshastigheten i bakgrunden och använda de sparade resurserna för att öka skuggningshastigheten i förgrunden, vilket resulterar i skarpare och mer detaljerade förgrundsobjekt.
• Skalbarhet: VRS gör att din applikation kan skalas bättre över olika hårdvarukonfigurationer. På avancerade GPU:er kan du använda en högre skuggningshastighet för att uppnå maximal visuell kvalitet, medan du på enklare GPU:er kan använda en lägre skuggningshastighet för att bibehålla godtagbar prestanda.

Detektera VRS-hårdvarustöd i WebGL

Innan du kan börja använda VRS i din WebGL-applikation måste du avgöra om användarens GPU stöder det. Detta innebär att kontrollera förekomsten av nödvändiga WebGL-tillägg.

1. Kontrollera för tillägget `ANGLE_variable_rate_shading`

Det primära tillägget som möjliggör VRS i WebGL är `ANGLE_variable_rate_shading`. Du kan kontrollera dess existens med metoden `getExtension()` i WebGL-kontexten:

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

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

if (vrsExtension) {
  console.log('Variable Rate Shading stöds!');
} else {
  console.log('Variable Rate Shading stöds inte.');
}

            

              
                Copy
              
            
          

Viktigt att notera: Tillägget `ANGLE_variable_rate_shading` är ett tillägg som tillhandahålls av ANGLE-projektet (Almost Native Graphics Layer Engine). ANGLE används av många webbläsare för att översätta WebGL-anrop till de olika plattformarnas inbyggda grafik-API:er (t.ex. Direct3D på Windows, Metal på macOS och iOS, Vulkan på Android). Därför indikerar närvaron av detta tillägg att den underliggande grafikdrivrutinen och hårdvaran stöder VRS, även om den inbyggda WebGL-implementationen inte direkt exponerar VRS-funktionalitet.

2. Granska VRS-kapaciteter

När du har bekräftat att tillägget `ANGLE_variable_rate_shading` är tillgängligt måste du undersöka de specifika kapaciteterna för VRS-implementationen. Tillägget tillhandahåller flera konstanter och metoder som låter dig fråga efter dessa kapaciteter.

a. Skuggningshastigheter som stöds

Tillägget definierar en uppsättning konstanter som representerar de skuggningshastigheter som stöds. Dessa konstanter är potenser av två och indikerar antalet pixlar som skuggas per fragment.

• `gl.SHADING_RATE_1X1_PIXELS`: Skugga varje pixel (1x1).
• `gl.SHADING_RATE_1X2_PIXELS`: Skugga varannan pixel horisontellt (1x2).
• `gl.SHADING_RATE_2X1_PIXELS`: Skugga varannan pixel vertikalt (2x1).
• `gl.SHADING_RATE_2X2_PIXELS`: Skugga varannan pixel i båda dimensionerna (2x2).
• `gl.SHADING_RATE_4X2_PIXELS`: Skugga var fjärde pixel horisontellt och varannan pixel vertikalt (4x2).
• `gl.SHADING_RATE_2X4_PIXELS`: Skugga varannan pixel horisontellt och var fjärde pixel vertikalt (2x4).
• `gl.SHADING_RATE_4X4_PIXELS`: Skugga var fjärde pixel i båda dimensionerna (4x4).

För att avgöra vilka skuggningshastigheter som faktiskt stöds av GPU:n kan du använda tilläggets metod `getSupportedShadingRates()`. Denna metod returnerar en array av booleska värden, där varje element indikerar om motsvarande skuggningshastighet stöds. Ordningen på elementen motsvarar ordningen på konstanterna som listas ovan.

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

  console.log('Skuggningshastigheter som stöds:');
  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
              
            
          

Genom att granska arrayen `supportedShadingRates` kan du avgöra vilka skuggningshastigheter du säkert kan använda i din applikation.

b. Antal kombinerare för skuggningshastighet

Egenskapen `shadingRateCombinerCount` i tillägget indikerar antalet kombinerare för skuggningshastighet som stöds av GPU:n. Kombinerare för skuggningshastighet låter dig kombinera flera källor av information om skuggningshastighet för att producera en slutlig skuggningshastighet. Ju fler kombinerare som är tillgängliga, desto mer flexibel kan du vara i att kontrollera skuggningshastigheten.

            if (vrsExtension) {
  const shadingRateCombinerCount = vrsExtension.shadingRateCombinerCount;
  console.log('Antal kombinerare för skuggningshastighet: ' + shadingRateCombinerCount);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Typiska värden for `shadingRateCombinerCount` är 1 eller 2. Ett värde på 0 indikerar att kombinerare för skuggningshastighet inte stöds.

c. Stöd för bild för skuggningshastighet

`shadingRateImage` är en textur som låter dig specificera skuggningshastigheten per ruta. Tillägget tillhandahåller en konstant, `gl.SHADING_RATE_IMAGE_OES`, som representerar texturmålet för skuggningshastighetsbilden. För att kontrollera om `shadingRateImage` stöds, fråga efter gränsen `MAX_FRAGMENT_UNIFORM_VECTORS`. Om antalet tillgängliga fragment-uniform-vektorer är tillräckligt, stöder drivrutinen troligen funktionen `shadingRateImage`. Om det maximala antalet är mycket lågt, stöds funktionen troligen inte.

Även om `shadingRateImage` är standardmetoden för att utföra "coarse pixel shading", kan hårdvaruimplementationer av VRS välja att utelämna den, och det bör detekteras vid körtid.

3. Hantera avsaknad av VRS-stöd

Om tillägget `ANGLE_variable_rate_shading` inte är tillgängligt, eller om de skuggningshastigheter som stöds är begränsade, bör du på ett elegant sätt återgå till en standardrenderingsväg. Detta kan innebära att du använder en högre skuggningshastighet eller avaktiverar VRS helt. Det är avgörande att undvika att förlita sig på VRS om det inte stöds korrekt, eftersom detta kan leda till renderingsfel eller prestandaproblem.

Exempel: Detektera och använda VRS i en WebGL-applikation

Här är ett mer komplett exempel som demonstrerar hur man detekterar VRS-stöd och använder det för att justera skuggningshastigheten i en enkel WebGL-applikation:

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

if (!gl) {
  console.error('WebGL 2 stöds inte.');
  // Återgå till en renderingsväg utan VRS
  return;
}

// Hämta tillägget ANGLE_variable_rate_shading
const vrsExtension = gl.getExtension('ANGLE_variable_rate_shading');

if (!vrsExtension) {
  console.log('Variable Rate Shading stöds inte.');
  // Återgå till en renderingsväg utan VRS
  return;
}

// Kontrollera vilka skuggningshastigheter som stöds
const supportedShadingRates = vrsExtension.getSupportedShadingRates();

// Bestäm den lägsta skuggningshastigheten som stöds (förutom 1x1)
let lowestShadingRate = gl.SHADING_RATE_1X1_PIXELS; // Standard är 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('Lägsta skuggningshastighet som stöds: ' + lowestShadingRate);

// Ställ in skuggningshastigheten för en specifik region (t.ex. hela skärmen)
// Detta skulle normalt innebära att man skapar en skuggningshastighetsbild och binder den till lämplig texturenhet.
// Följande är ett förenklat exempel som endast ställer in skuggningshastigheten globalt.

// Förutsatt att du har ett program och ska börja rita...

function drawScene(){
  // Bind lämplig framebuffer (om det behövs)

  // Anropa tilläggsfunktionen för att ställa in skuggningshastigheten (förenklat exempel)
  // I en verklig applikation skulle detta innebära att man konfigurerar en skuggningshastighetsbild.
  //vrsExtension.setShadingRate(lowestShadingRate);  //Detta är en hypotetisk funktion och kommer inte att fungera, den är här som ett exempel på vad den skulle göra.

  // Rita din scen
  //gl.drawArrays(...);
}

// Renderingsloop
function render() {
  // ... uppdatera din scen ...
  drawScene();
  requestAnimationFrame(render);
}

requestAnimationFrame(render);


            

              
                Copy
              
            
          

Viktiga överväganden:

• Bild för skuggningshastighet: Exemplet ovan ger en förenklad illustration. I ett verkligt scenario skulle du vanligtvis skapa en bild för skuggningshastighet (en textur) och binda den till en texturenhet. Denna bild skulle innehålla värdena för skuggningshastigheten för varje ruta på skärmen. Du skulle sedan använda lämpliga WebGL-funktioner för att sampla denna bild i din fragment-shader och tillämpa motsvarande skuggningshastighet. Detaljerna för att skapa och använda en bild för skuggningshastighet ligger utanför ramen för detta introduktionsinlägg men kommer att behandlas i framtida artiklar.
• Prestandamätning: Det är avgörande att noggrant mäta prestandapåverkan av VRS i din applikation. Även om VRS ofta kan förbättra prestandan, kan det också introducera overhead på grund av behovet av att hantera bilden för skuggningshastighet och utföra nödvändiga beräkningar i fragment-shadern. Använd WebGL-prestandaanalysverktyg för att bestämma de optimala skuggningshastigheterna för din applikation.

Bästa praxis för att använda VRS i WebGL

För att få ut det mesta av VRS i dina WebGL-applikationer, överväg följande bästa praxis:

• Prioritera visuell kvalitet: När du väljer skuggningshastigheter, prioritera visuell kvalitet framför prestanda. Börja med en högre skuggningshastighet och minska den gradvis tills du märker en betydande försämring av den visuella kvaliteten.
• Använd innehållsanpassad skuggning (om tillgängligt): Om din GPU stöder innehållsanpassad skuggning, använd den för att dynamiskt justera skuggningshastigheten baserat på innehållet i scenen. Detta kan ge ännu större prestandavinster utan en märkbar inverkan på den visuella kvaliteten.
• Tänk på storleken på rutorna (tile size): Storleken på rutorna påverkar granulariteten i kontrollen av skuggningshastigheten. Mindre rutor möjliggör mer exakt kontroll, men de ökar också overheaden för att hantera bilden för skuggningshastighet. Experimentera med olika storlekar på rutorna för att hitta den optimala balansen mellan precision och prestanda.
• Använd VRS i kombination med andra optimeringstekniker: VRS är bara ett verktyg i din optimeringsarsenal. Använd det i kombination med andra tekniker, såsom LOD-skalning (level-of-detail), "occlusion culling" och texturkomprimering, för att uppnå maximal prestanda.
• Testa på en mängd olika enheter: Testa din applikation på en mängd olika enheter för att säkerställa att VRS fungerar korrekt och att den ger de förväntade prestandavinsterna. Olika GPU:er kan ha olika VRS-kapaciteter, så det är viktigt att testa på ett representativt urval av hårdvara.

Slutsats

Variabel skuggningshastighet är en lovande teknik för att förbättra renderingsprestandan i WebGL-applikationer. Genom att noggrant detektera VRS-hårdvarustöd och följa de bästa metoderna som beskrivs i detta blogginlägg kan du utnyttja VRS för att skapa mer effektiva och visuellt tilltalande WebGL-upplevelser. I takt med att WebGL fortsätter att utvecklas kan vi förvänta oss att se ännu mer avancerade VRS-funktioner och tekniker bli tillgängliga, vilket ytterligare ger utvecklare möjlighet att skapa fantastisk och prestandastark webbaserad grafik.

Kom ihåg att alltid prioritera visuell kvalitet och noggrant mäta prestandapåverkan av VRS i din applikation. Genom att göra det kan du säkerställa att du använder VRS effektivt för att uppnå bästa möjliga resultat.