WebGL Instanced Atributlari: Instansiya Ma'lumotlarini Samarali Boshqarish

Zamonaviy 3D grafikada ko'plab o'xshash obyektlarni render qilish keng tarqalgan vazifadir. Daraxtlar o'rmoni, odamlar olomoni yoki zarrachalar to'dasini ko'rsatish kabi stsenariylarni ko'rib chiqing. Har bir obyektni alohida render qilish hisoblash jihatidan qimmatga tushishi va unumdorlikda muammolarga olib kelishi mumkin. WebGL instansiyali renderlash bitta chizish chaqiruvi yordamida bir xil obyektning bir nechta nusxasini turli atributlar bilan chizish imkonini berib, kuchli yechim taklif qiladi. Bu bir nechta chizish chaqiruvlari bilan bog'liq qo'shimcha xarajatlarni keskin kamaytiradi va renderlash samaradorligini sezilarli darajada oshiradi. Ushbu maqola WebGL instanced atributlarini tushunish va amalga oshirish uchun keng qamrovli qo'llanma taqdim etadi.

Instansiyali Renderlashni Tushunish

Instansiyali renderlash - bu bir xil geometriyaga ega bo'lgan bir nechta nusxalarni (instansiyalarni) turli atributlar (masalan, pozitsiya, aylanish, rang) bilan bitta chizish chaqiruvi yordamida chizish imkonini beruvchi texnikadir. Bir xil geometriya ma'lumotlarini bir necha marta yuborish o'rniga, siz uni bir marta, har bir instansiyaga oid atributlar massivi bilan birga yuborasiz. Keyin GPU har bir instansiyaning renderlanishini o'zgartirish uchun ushbu har bir instansiyaga oid atributlardan foydalanadi. Bu CPU yuklamasini va xotira o'tkazuvchanligini kamaytiradi, natijada unumdorlik sezilarli darajada oshadi.

Instansiyali Renderlashning Afzalliklari

• CPU Yuklamasining Kamayishi: Chizish chaqiruvlari sonini minimallashtiradi, CPU tomonidagi ishlov berishni kamaytiradi.
• Xotira O'tkazuvchanligining Yaxshilanishi: Geometriya ma'lumotlarini faqat bir marta yuboradi, bu xotira uzatishni kamaytiradi.
• Renderlash Samaradorligining Oshishi: Qo'shimcha xarajatlarning kamayishi tufayli sekundiga kadrlar soni (FPS) umumiy yaxshilanadi.

Instanced Atributlar Bilan Tanishtirish

Instanced atributlar alohida cho'qqilarga emas, balki alohida instansiyalarga qo'llaniladigan vertex atributlaridir. Ular instansiyali renderlash uchun muhimdir, chunki ular geometriya har bir instansiyasini farqlash uchun zarur bo'lgan noyob ma'lumotlarni taqdim etadi. WebGL'da instanced atributlar vertex bufer obyektlariga (VBO) bog'lanadi va maxsus WebGL kengaytmalari yoki, afzalroq, WebGL2 ning asosiy funksionalligi yordamida sozlanadi.

Asosiy Tushunchalar

• Geometriya Ma'lumotlari: Render qilinadigan asosiy geometriya (masalan, kub, sfera, daraxt modeli). Bu oddiy vertex atributlarida saqlanadi.
• Instansiya Ma'lumotlari: Har bir instansiya uchun o'zgaradigan ma'lumotlar (masalan, pozitsiya, aylanish, masshtab, rang). Bu instanced atributlarda saqlanadi.
• Vertex Shader: Ham geometriya, ham instansiya ma'lumotlariga asoslangan holda cho'qqilarni o'zgartirish uchun mas'ul bo'lgan shader dasturi.
• gl.drawArraysInstanced() / gl.drawElementsInstanced(): Instansiyali renderlashni boshlash uchun ishlatiladigan WebGL funksiyalari.

WebGL2 da Instanced Atributlarni Amalga Oshirish

WebGL2 instansiyali renderlash uchun tabiiy qo'llab-quvvatlashni ta'minlaydi, bu amalga oshirishni toza va samaraliroq qiladi. Mana bosqichma-bosqich qo'llanma:

1-qadam: Instansiya Ma'lumotlarini Yaratish va Bog'lash

Birinchidan, instansiya ma'lumotlarini saqlash uchun bufer yaratishingiz kerak. Ushbu ma'lumotlar odatda pozitsiya, aylanish (kvaternionlar yoki Eyler burchaklari sifatida ifodalangan), masshtab va rang kabi atributlarni o'z ichiga oladi. Keling, har bir instansiya har xil pozitsiya va rangga ega bo'lgan oddiy misol yarataylik:

            
// 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-qadam: Vertex Atributlarini Sozlash

Keyin, vertex shader'dagi vertex atributlarini instansiya ma'lumotlaridan foydalanish uchun sozlashingiz kerak. Bu atribut joylashuvi, bufer va bo'luvchini (divisor) belgilashni o'z ichiga oladi. Bo'luvchi asosiy narsa: 0 bo'luvchi atribut har bir cho'qqi uchun oldinga siljishini, 1 bo'luvchi esa har bir instansiya uchun oldinga siljishini bildiradi. Yuqoriroq qiymatlar esa har *n* instansiyada oldinga siljishini anglatadi.

            
// 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-qadam: Vertex Shader'ni Yozish

Vertex shader ham oddiy vertex atributlariga (geometriya uchun), ham instanced atributlariga (instansiyaga xos ma'lumotlar uchun) kirishi kerak. Mana bir misol:

            
#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-qadam: Instansiyalarni Chizish

Nihoyat, siz instansiyalarni gl.drawArraysInstanced() yoki gl.drawElementsInstanced() yordamida chizishingiz mumkin.

            
// 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
              
            
          

WebGL1 da Instanced Atributlarni Amalga Oshirish (kengaytmalar bilan)

WebGL1 instansiyali renderlashni tabiiy ravishda qo'llab-quvvatlamaydi. Biroq, xuddi shu natijaga erishish uchun ANGLE_instanced_arrays kengaytmasidan foydalanishingiz mumkin. Kengaytma instansiyalarni sozlash va chizish uchun yangi funksiyalarni taqdim etadi.

1-qadam: Kengaytmani Olish

Birinchidan, siz kengaytmani gl.getExtension() yordamida olishingiz kerak.

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

            

              
                Copy
              
            
          

2-qadam: Instansiya Ma'lumotlarini Yaratish va Bog'lash

Bu qadam WebGL2 dagi bilan bir xil. Siz buferlar yaratasiz va ularni instansiya ma'lumotlari bilan to'ldirasiz.

3-qadam: Vertex Atributlarini Sozlash

Asosiy farq bo'luvchini (divisor) o'rnatish uchun ishlatiladigan funksiyada. gl.vertexAttribDivisor() o'rniga siz ext.vertexAttribDivisorANGLE() dan foydalanasiz.

            
// 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-qadam: Instansiyalarni Chizish

Xuddi shunday, instansiyalarni chizish uchun ishlatiladigan funksiya ham boshqacha. gl.drawArraysInstanced() va gl.drawElementsInstanced() o'rniga siz ext.drawArraysInstancedANGLE() va ext.drawElementsInstancedANGLE() dan foydalanasiz.

            
// 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
              
            
          

Shader Bilan Bog'liq Mulohazalar

Vertex shader instansiyali renderlashda hal qiluvchi rol o'ynaydi. U yakuniy cho'qqi pozitsiyasi va boshqa atributlarni hisoblash uchun geometriya ma'lumotlarini instansiya ma'lumotlari bilan birlashtirish uchun mas'uldir. Mana ba'zi asosiy mulohazalar:

Atributlarga Kirish

Vertex shader ham oddiy vertex atributlarini, ham instanced atributlarini to'g'ri e'lon qilishiga va ularga kirishiga ishonch hosil qiling. gl.getAttribLocation() dan olingan to'g'ri atribut joylashuvlaridan foydalaning.

Transformatsiya

Instansiya ma'lumotlariga asoslangan holda geometriyaga kerakli transformatsiyalarni qo'llang. Bu instansiyaning pozitsiyasi, aylanishi va masshtabiga qarab geometriyani siljitish, aylantirish va masshtablashni o'z ichiga olishi mumkin.

Ma'lumotlar Interpolyatsiyasi

Keyingi ishlov berish uchun har qanday tegishli ma'lumotlarni (masalan, rang, tekstura koordinatalari) fragment shader'ga uzating. Ushbu ma'lumotlar cho'qqi pozitsiyalariga asoslangan holda interpolyatsiya qilinishi mumkin.

Optimallashtirish Texnikalari

Instansiyali renderlash sezilarli unumdorlik yaxshilanishlarini ta'minlasa-da, renderlash samaradorligini yanada oshirish uchun siz qo'llashingiz mumkin bo'lgan bir nechta optimallashtirish texnikalari mavjud.

Ma'lumotlarni Qadoqlash

Bufer bog'lashlari va atribut ko'rsatkichlari chaqiruvlari sonini kamaytirish uchun bog'liq instansiya ma'lumotlarini bitta buferga joylashtiring. Masalan, pozitsiya, aylanish va masshtabni bitta buferda birlashtirishingiz mumkin.

Ma'lumotlarni Tekislash

Xotiraga kirish unumdorligini yaxshilash uchun instansiya ma'lumotlarining xotirada to'g'ri tekislanganligiga ishonch hosil qiling. Bu har bir atribut o'z hajmining karralisi bo'lgan xotira manzilidan boshlanishini ta'minlash uchun ma'lumotlarni to'ldirishni o'z ichiga olishi mumkin.

Frustum Culling (Ko'rish Piramidasidan Tashqaridagilarni Kesish)

Kameraning ko'rish frustumidan (piramidasidan) tashqarida bo'lgan instansiyalarni render qilmaslik uchun frustum culling'ni amalga oshiring. Bu, ayniqsa, ko'p sonli instansiyalarga ega sahnalarda qayta ishlanishi kerak bo'lgan instansiyalar sonini sezilarli darajada kamaytirishi mumkin.

Tafsilotlar Darajasi (LOD)

Instansiyalar uchun ularning kameradan masofasiga qarab turli darajadagi tafsilotlardan foydalaning. Uzoqda joylashgan instansiyalarni pastroq tafsilot darajasida render qilish mumkin, bu esa ishlov berilishi kerak bo'lgan cho'qqilar sonini kamaytiradi.

Instansiyalarni Saralash

Ortiqcha chizishni (overdraw) kamaytirish uchun instansiyalarni kameradan masofasiga qarab saralang. Instansiyalarni oldindan orqaga qarab render qilish, ayniqsa, bir-birini ko'p yopadigan instansiyalarga ega sahnalarda renderlash samaradorligini oshirishi mumkin.

Haqiqiy Dunyodan Misollar

Instansiyali renderlash keng ko'lamli ilovalarda qo'llaniladi. Mana bir nechta misollar:

O'rmonni Renderlash

Daraxtlar o'rmonini render qilish instansiyali renderlashni qo'llash mumkin bo'lgan klassik misoldir. Har bir daraxt bir xil geometriya instansiyasi, lekin turli pozitsiyalar, aylanishlar va masshtablarga ega. Amazonka tropik o'rmonlarini yoki Kaliforniyaning qizil daraxtli o'rmonlarini tasavvur qiling - ikkalasi ham bunday texnikalarsiz render qilish deyarli imkonsiz bo'lgan muhitlardir.

Olomon Simulyatsiyasi

Odamlar yoki hayvonlar olomonini simulyatsiya qilish instansiyali renderlash yordamida samarali amalga oshirilishi mumkin. Har bir odam yoki hayvon bir xil geometriya instansiyasi, lekin turli animatsiyalar, kiyimlar va aksessuarlarga ega. Marokashdagi gavjum bozorni yoki Tokiodagi zich aholi yashaydigan ko'chani simulyatsiya qilishni tasavvur qiling.

Zarrachalar Tizimlari

Olov, tutun yoki portlashlar kabi zarrachalar tizimlarini instansiyali renderlash yordamida render qilish mumkin. Har bir zarracha bir xil geometriya instansiyasi (masalan, to'rtburchak yoki sfera), lekin turli pozitsiyalar, o'lchamlar va ranglarga ega. Sidney bandargohi ustidagi feyerverk namoyishini yoki shimol yog'dusini tasavvur qiling - har biri minglab zarrachalarni samarali render qilishni talab qiladi.

Arxitektura Vizualizatsiyasi

Katta arxitektura sahnasini derazalar, stullar yoki chiroqlar kabi ko'plab bir xil yoki o'xshash elementlar bilan to'ldirish instansiyalashdan katta foyda olishi mumkin. Bu batafsil va realistik muhitlarni samarali render qilish imkonini beradi. Luvr muzeyi yoki Toj Mahal bo'ylab virtual sayohatni ko'rib chiqing - ko'plab takrorlanadigan elementlarga ega murakkab sahnalar.

Xulosa

WebGL instanced atributlari ko'plab o'xshash obyektlarni render qilishning kuchli va samarali usulini taqdim etadi. Instansiyali renderlashdan foydalanib, siz CPU yuklamasini sezilarli darajada kamaytirishingiz, xotira o'tkazuvchanligini yaxshilashingiz va renderlash samaradorligini oshirishingiz mumkin. O'yin, simulyatsiya yoki vizualizatsiya ilovasini ishlab chiqayotgan bo'lsangiz ham, instansiyali renderlashni tushunish va amalga oshirish o'yinni o'zgartirishi mumkin. WebGL2 dagi tabiiy qo'llab-quvvatlash va WebGL1 dagi ANGLE_instanced_arrays kengaytmasi mavjudligi bilan, instansiyali renderlash keng doiradagi dasturchilar uchun ochiqdir. Ushbu maqolada keltirilgan qadamlarga rioya qilib va muhokama qilingan optimallashtirish texnikalarini qo'llab, siz brauzerda mumkin bo'lgan chegaralarni zorlaydigan vizual jihatdan ajoyib va samarali 3D grafik ilovalarni yaratishingiz mumkin.