Запити оклюзії у WebGL: Тестування видимості та оптимізація продуктивності

У світі розробки WebGL продуктивність має першочергове значення. Складні сцени з великою кількістю об'єктів можуть швидко навантажити графічний процесор (GPU), що призводить до падіння частоти кадрів та поганого користувацького досвіду. Однією з потужних технік для пом'якшення цього є відсікання невидимих об'єктів (occlusion culling), коли об'єкти, приховані за іншими, не рендеряться, заощаджуючи цінний час обробки. Запити оклюзії у WebGL надають механізм для ефективного визначення видимості об'єктів, що дозволяє реалізувати ефективне відсікання.

Що таке запити оклюзії у WebGL?

Запит оклюзії у WebGL – це функція, яка дозволяє вам запитати у GPU, скільки фрагментів (пікселів) було намальовано певним набором команд рендерингу. По суті, ви відправляєте виклики малювання для об'єкта, і GPU повідомляє, чи пройшов хоча б один з його фрагментів тест глибини та чи був він видимим. Цю інформацію можна використовувати для визначення, чи перекритий об'єкт іншими об'єктами на сцені. Якщо запит повертає нуль (або дуже мале число), це означає, що об'єкт був повністю (або майже повністю) перекритий і його не потрібно рендерити в наступних кадрах. Ця техніка значно зменшує навантаження на рендеринг і покращує продуктивність, особливо у складних сценах.

Як працюють запити оклюзії: Спрощений огляд

1. Створити об'єкт запиту: Спочатку ви створюєте об'єкт запиту за допомогою gl.createQuery(). Цей об'єкт буде зберігати результати запиту оклюзії.
2. Почати запит: Ви починаєте запит за допомогою gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query). Ціль gl.ANY_SAMPLES_PASSED вказує, що нас цікавить, чи пройшов хоча б один семпл (фрагмент) тест глибини. Існують й інші цілі, такі як gl.ANY_SAMPLES_PASSED_CONSERVATIVE (яка надає більш консервативний результат, потенційно включаючи хибнопозитивні спрацювання для кращої продуктивності) та gl.SAMPLES_PASSED (яка підраховує кількість семплів, що пройшли тест глибини, застаріла у WebGL2).
3. Рендерити потенційно перекритий об'єкт: Потім ви виконуєте виклики малювання для об'єкта, видимість якого ви хочете перевірити. Зазвичай це спрощена обмежувальна рамка (bounding box) або грубе представлення об'єкта. Рендеринг спрощеної версії зменшує вплив самого запиту на продуктивність.
4. Завершити запит: Ви завершуєте запит за допомогою gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED).
5. Отримати результат запиту: Результат запиту доступний не одразу. GPU потрібен час для обробки команд рендерингу та визначення кількості фрагментів, що пройшли тест. Ви можете отримати результат за допомогою gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT).
6. Інтерпретувати результат: Якщо результат запиту більший за нуль, це означає, що принаймні один фрагмент об'єкта був видимим. Якщо результат дорівнює нулю, це означає, що об'єкт був повністю перекритий.
7. Використовувати результат для відсікання невидимих об'єктів: На основі результату запиту ви можете вирішити, чи рендерити повний, деталізований об'єкт у наступних кадрах.

Переваги використання запитів оклюзії

• Покращена продуктивність рендерингу: Уникаючи рендерингу перекритих об'єктів, запити оклюзії можуть значно зменшити навантаження на рендеринг, що призводить до вищої частоти кадрів та більш плавного користувацького досвіду.
• Зменшене навантаження на GPU: Менше рендерингу означає менше роботи для GPU, що може покращити час роботи від батареї на мобільних пристроях та зменшити виділення тепла на настільних комп'ютерах.
• Підвищена візуальна якість: Оптимізуючи продуктивність рендерингу, ви можете дозволити собі рендерити більш складні сцени з більшою деталізацією без шкоди для частоти кадрів.
• Масштабованість: Запити оклюзії особливо корисні для складних сцен з великою кількістю об'єктів, оскільки виграш у продуктивності зростає зі складністю сцени.

Виклики та міркування

Хоча запити оклюзії пропонують значні переваги, є також деякі виклики та міркування, які слід враховувати:

• Затримка: Запити оклюзії вносять затримку, оскільки результат запиту доступний не одразу. GPU потрібен час для обробки команд рендерингу та визначення кількості фрагментів, що пройшли тест. Ця затримка може призвести до візуальних артефактів, якщо її не обробляти належним чином.
• Накладні витрати на запити: Виконання запитів оклюзії також має певні накладні витрати. GPU потрібно відстежувати стан запиту та підраховувати фрагменти, що проходять тест глибини. Ці витрати можуть звести нанівець переваги у продуктивності, якщо запити не використовуються розсудливо.
• Консервативна оклюзія: Щоб мінімізувати вплив затримки, часто бажано використовувати консервативну оклюзію, коли об'єкти вважаються видимими, навіть якщо видно лише невелику кількість фрагментів. Це може призвести до рендерингу частково перекритих об'єктів, але це дозволяє уникнути візуальних артефактів, які можуть виникнути при агресивному відсіканні невидимих об'єктів.
• Вибір обмежувального об'єму: Вибір обмежувального об'єму (наприклад, обмежувальна рамка, обмежувальна сфера) для запиту оклюзії може суттєво вплинути на продуктивність. Простіші обмежувальні об'єми рендеряться швидше, але можуть призвести до більшої кількості хибнопозитивних спрацювань (тобто об'єкти вважаються видимими, хоча вони переважно перекриті).
• Синхронізація: Отримання результату запиту вимагає синхронізації між CPU та GPU. Ця синхронізація може викликати зупинки в конвеєрі рендерингу, що може негативно вплинути на продуктивність.
• Сумісність з браузерами та обладнанням: Переконайтеся, що цільові браузери та обладнання підтримують запити оклюзії. Хоча ця функція широко підтримується, старіші системи можуть не мати її, що вимагає резервних механізмів.

Найкращі практики використання запитів оклюзії у WebGL

Щоб максимізувати переваги запитів оклюзії та мінімізувати виклики, дотримуйтесь наступних найкращих практик:

1. Використовуйте спрощені обмежувальні об'єми

Замість рендерингу повного, деталізованого об'єкта для запиту оклюзії, рендеріть спрощений обмежувальний об'єм, такий як обмежувальна рамка або обмежувальна сфера. Це зменшує навантаження на рендеринг та прискорює процес запиту. Обмежувальний об'єм повинен щільно охоплювати об'єкт, щоб мінімізувати хибнопозитивні спрацювання.

Приклад: Уявіть складну 3D-модель автомобіля. Замість рендерингу всієї моделі для запиту оклюзії, ви можете відрендерити просту обмежувальну рамку, яка охоплює автомобіль. Цю обмежувальну рамку буде набагато швидше відрендерити, ніж повну модель автомобіля.

2. Використовуйте ієрархічне відсікання невидимих об'єктів

Для складних сцен розгляньте можливість використання ієрархічного відсікання, де ви організовуєте об'єкти в ієрархію обмежувальних об'ємів. Потім ви можете виконувати запити оклюзії спочатку для обмежувальних об'ємів вищого рівня. Якщо об'єм вищого рівня перекритий, ви можете уникнути виконання запитів для його дочірніх елементів. Це може значно зменшити кількість необхідних запитів оклюзії.

Приклад: Розглянемо сцену з містом. Ви можете організувати будівлі в блоки, а потім блоки в райони. Потім ви можете виконати запити оклюзії спочатку для районів. Якщо район перекритий, ви можете уникнути виконання запитів для окремих блоків та будівель у цьому районі.

3. Використовуйте когерентність кадрів

Запити оклюзії демонструють когерентність кадрів, що означає, що видимість об'єкта, ймовірно, буде схожою від одного кадру до наступного. Ви можете скористатися цією когерентністю, кешуючи результати запитів і використовуючи їх для прогнозування видимості об'єктів у наступних кадрах. Це може зменшити кількість необхідних запитів оклюзії та покращити продуктивність.

Приклад: Якщо об'єкт був видимим у попередньому кадрі, ви можете припустити, що він, ймовірно, буде видимим і в поточному кадрі. Тоді ви можете відкласти виконання запиту оклюзії для цього об'єкта доти, доки він, ймовірно, не стане перекритим (наприклад, якщо він переміститься за інший об'єкт).

4. Розгляньте використання консервативної оклюзії

Щоб мінімізувати вплив затримки, розгляньте використання консервативної оклюзії, коли об'єкти вважаються видимими, навіть якщо видно лише невелику кількість фрагментів. Цього можна досягти, встановивши поріг для результату запиту. Якщо результат запиту перевищує поріг, об'єкт вважається видимим. В іншому випадку він вважається перекритим.

Приклад: Ви можете встановити поріг у 10 фрагментів. Якщо результат запиту більший за 10, об'єкт вважається видимим. В іншому випадку він вважається перекритим. Відповідний поріг залежатиме від розміру та складності об'єктів у вашій сцені.

5. Реалізуйте резервний механізм

Не всі браузери та апаратне забезпечення підтримують запити оклюзії. Важливо реалізувати резервний механізм, який можна буде використовувати, коли запити оклюзії недоступні. Це може включати використання простішого алгоритму відсікання або просто повне вимкнення відсікання невидимих об'єктів.

Приклад: Ви можете перевірити, чи підтримується розширення EXT_occlusion_query_boolean. Якщо ні, ви можете перейти до використання простого алгоритму відсікання на основі відстані, де об'єкти, що знаходяться занадто далеко від камери, не рендеряться.

6. Оптимізуйте конвеєр рендерингу

Запити оклюзії – це лише одна частина головоломки, коли мова йде про оптимізацію продуктивності рендерингу. Важливо також оптимізувати решту конвеєра рендерингу, зокрема:

• Зменшення кількості викликів малювання: Пакетування викликів малювання може значно зменшити накладні витрати на рендеринг.
• Використання ефективних шейдерів: Оптимізація шейдерів може зменшити час, що витрачається на обробку кожної вершини та фрагмента.
• Використання mip-текстурування: Mip-текстурування може покращити продуктивність фільтрації текстур.
• Зменшення надлишкового малювання (overdraw): Надлишкове малювання виникає, коли фрагменти малюються один поверх одного, марнуючи час на обробку.
• Використання інстансингу: Інстансинг дозволяє рендерити кілька копій одного й того ж об'єкта за один виклик малювання.

7. Асинхронне отримання результатів запиту

Отримання результату запиту може викликати зупинки, якщо GPU ще не завершив його обробку. Використання асинхронних механізмів отримання, якщо вони доступні, може допомогти пом'якшити цю проблему. Техніки можуть включати очікування певної кількості кадрів перед отриманням результату або використання виділених робочих потоків (worker threads) для обробки процесу отримання запитів, що запобігає блокуванню основного потоку рендерингу.

Приклад коду: Базова реалізація запиту оклюзії

Ось спрощений приклад, що демонструє базове використання запитів оклюзії у WebGL:

// Створюємо об'єкт запиту const query = gl.createQuery(); // Починаємо запит gl.beginQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED, query); // Рендеримо об'єкт (наприклад, обмежувальну рамку) gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, vertexCount); // Завершуємо запит gl.endQuery(gl.ANY_SAMPLES_PASSED); // Асинхронно отримуємо результат запиту (приклад з використанням requestAnimationFrame) function checkQueryResult() { gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT_AVAILABLE, (available) => { if (available) { gl.getQueryParameter(query, gl.QUERY_RESULT, (result) => { const isVisible = result > 0; // Використовуємо результат видимості, щоб вирішити, чи рендерити повний об'єкт if (isVisible) { renderFullObject(); } }); } else { requestAnimationFrame(checkQueryResult); } }); } requestAnimationFrame(checkQueryResult);

Примітка: Це спрощений приклад, який не включає обробку помилок, належне управління ресурсами або передові методи оптимізації. Не забудьте адаптувати його до вашої конкретної сцени та вимог. Обробка помилок, особливо щодо підтримки розширень та доступності запитів, є критично важливою у виробничих середовищах. Також слід враховувати адаптації для обробки різних можливих сценаріїв.

Запити оклюзії в реальних застосунках

Запити оклюзії використовуються в широкому спектрі реальних застосунків, зокрема:

• Розробка ігор: Відсікання невидимих об'єктів є ключовою технікою для оптимізації продуктивності рендерингу в іграх, особливо в складних сценах з великою кількістю об'єктів. Прикладами є AAA-тайтли, що рендеряться в браузері за допомогою WebAssembly та WebGL, а також казуальні веб-ігри з деталізованим оточенням.
• Архітектурна візуалізація: Запити оклюзії можуть використовуватися для покращення продуктивності архітектурних візуалізацій, дозволяючи користувачам досліджувати великі та деталізовані моделі будівель у реальному часі. Уявіть, що ви досліджуєте віртуальний музей з незліченною кількістю експонатів – відсікання невидимих об'єктів забезпечує плавну навігацію.
• Географічні інформаційні системи (ГІС): Запити оклюзії можна використовувати для оптимізації рендерингу великих та складних географічних наборів даних, таких як міста та ландшафти. Наприклад, візуалізація 3D-моделей міських пейзажів у веб-браузері для симуляцій міського планування може значно виграти від відсікання невидимих об'єктів.
• Медична візуалізація: Запити оклюзії можуть використовуватися для покращення продуктивності додатків медичної візуалізації, дозволяючи лікарям візуалізувати складні анатомічні структури в реальному часі.
• Електронна комерція: Для веб-сайтів, що представляють 3D-моделі товарів, запити оклюзії можуть допомогти зменшити навантаження на GPU, забезпечуючи більш плавний досвід навіть на менш потужних пристроях. Розгляньте перегляд 3D-моделі складного меблевого виробу на мобільному пристрої; відсікання невидимих об'єктів може допомогти підтримувати прийнятну частоту кадрів.

Висновок

Запити оклюзії у WebGL є потужним інструментом для оптимізації продуктивності рендерингу та покращення користувацького досвіду у веб-додатках. Ефективно відсікаючи перекриті об'єкти, ви можете зменшити навантаження на рендеринг, підвищити частоту кадрів та створювати більш складні та деталізовані сцени. Хоча існують виклики, такі як затримка та накладні витрати на запити, дотримання найкращих практик та ретельний розгляд конкретних потреб вашого застосунку можуть розкрити повний потенціал запитів оклюзії. Опанувавши ці техніки, розробники по всьому світу зможуть створювати багатші, більш захопливі та продуктивні 3D-досвіди на базі вебу.

Додаткові ресурси

• Специфікація WebGL: Зверніться до офіційної специфікації WebGL для отримання найактуальнішої інформації про запити оклюзії.
• Khronos Group: Досліджуйте веб-сайт Khronos Group для отримання ресурсів, пов'язаних з WebGL та OpenGL ES.
• Онлайн-уроки та статті: Шукайте онлайн-уроки та статті про запити оклюзії у WebGL для практичних прикладів та передових технік.
• Демо-версії WebGL: Вивчайте існуючі демо-версії WebGL, які використовують запити оклюзії, щоб вчитися на реальних прикладах реалізації.