Клъстерно отложено осветление в WebGL: Разширено управление на осветлението

В областта на 3D графиката в реално време осветлението играе ключова роля за създаването на реалистични и визуално привлекателни сцени. Докато традиционните подходи за директно рендиране (forward rendering) могат да станат изчислително скъпи при голям брой светлинни източници, отложеното рендиране (deferred rendering) предлага убедителна алтернатива. Клъстерното отложено осветление отива стъпка по-далеч, предоставяйки ефективно и мащабируемо решение за управление на сложни сценарии на осветление в WebGL приложения.

Разбиране на отложеното рендиране

Преди да се потопим в клъстерното отложено осветление, е изключително важно да разберем основните принципи на отложеното рендиране. За разлика от директното рендиране, което изчислява осветлението за всеки фрагмент (пиксел) по време на неговата растеризация, отложеното рендиране разделя етапите на геометрия и осветление. Ето как става това:

1. Етап на геометрия (Създаване на G-буфер): В първия етап геометрията на сцената се рендира в множество цели за рендиране, известни като G-буфер. Този буфер обикновено съхранява информация като:
   • Дълбочина: Разстояние от камерата до повърхността.
   • Нормали: Ориентация на повърхността.
   • Албедо: Основен цвят на повърхността.
   • Спекулар: Цвят и интензитет на огледалния блясък.
2. Етап на осветление: Във втория етап G-буферът се използва за изчисляване на приноса на осветлението за всеки пиксел. Това ни позволява да отложим скъпите изчисления на осветлението, докато не разполагаме с цялата необходима информация за повърхността.

Отложеното рендиране предлага няколко предимства:

• Намалено преизчертаване (Overdraw): Изчисленията на осветлението се извършват само веднъж за пиксел, независимо от броя на светлинните източници, които му влияят.
• Опростени изчисления на осветлението: Цялата необходима информация за повърхността е леснодостъпна в G-буфера, което опростява уравненията за осветление.
• Разделени геометрия и осветление: Това позволява по-гъвкави и модулни конвейери за рендиране.

Въпреки това стандартното отложено рендиране все още може да срещне предизвикателства при работа с много голям брой светлинни източници. Тук се намесва клъстерното отложено осветление.

Представяне на клъстерното отложено осветление

Клъстерното отложено осветление е техника за оптимизация, която цели да подобри производителността на отложеното рендиране, особено в сцени с множество светлинни източници. Основната идея е да се раздели зрителният обем (view frustum) на мрежа от 3D клъстери и да се присвоят светлини на тези клъстери въз основа на тяхното пространствено местоположение. Това ни позволява ефективно да определим кои светлини влияят на кои пиксели по време на етапа на осветление.

Как работи клъстерното отложено осветление

1. Разделяне на зрителния обем: Зрителният обем се разделя на 3D мрежа от клъстери. Размерите на тази мрежа (напр. 16x9x16) определят грануларността на клъстеризацията.
2. Присвояване на светлини: Всеки светлинен източник се присвоява на клъстерите, които пресича. Това може да стане чрез проверка на ограничителния обем (bounding volume) на светлината спрямо границите на клъстера.
3. Създаване на списък със светлини за клъстер: За всеки клъстер се създава списък със светлините, които му влияят. Този списък може да се съхранява в буфер или текстура.
4. Етап на осветление: По време на етапа на осветление за всеки пиксел определяме към кой клъстер принадлежи и след това итерираме през светлините в списъка на този клъстер. Това значително намалява броя на светлините, които трябва да бъдат взети предвид за всеки пиксел.

Предимства на клъстерното отложено осветление

• Подобрена производителност: Чрез намаляване на броя на светлините, разглеждани за пиксел, клъстерното отложено осветление може значително да подобри производителността на рендиране, особено в сцени с голям брой светлинни източници.
• Мащабируемост: Увеличението на производителността става по-изразено с нарастването на броя на светлинните източници, което го прави мащабируемо решение за сложни сценарии на осветление.
• Намалено преизчертаване (Overdraw): Подобно на стандартното отложено рендиране, клъстерното отложено осветление намалява преизчертаването, като извършва изчисления на осветлението само веднъж за пиксел.

Внедряване на клъстерно отложено осветление в WebGL

Внедряването на клъстерно отложено осветление в WebGL включва няколко стъпки. Ето общ преглед на процеса:

1. Създаване на G-буфер: Създайте текстурите на G-буфера за съхраняване на необходимата информация за повърхността (дълбочина, нормали, албедо, спекулар). Това обикновено включва използването на множество цели за рендиране (multiple render targets - MRT).
2. Генериране на клъстери: Дефинирайте мрежата от клъстери и изчислете техните граници. Това може да стане в JavaScript или директно в шейдъра.
3. Присвояване на светлини (от страна на CPU): Итерирайте през светлинните източници и ги присвоете към съответните клъстери. Това обикновено се прави на процесора (CPU), тъй като трябва да се изчислява само когато светлините се движат или променят. Обмислете използването на структура за пространствено ускорение (напр. йерархия на ограничителни обеми или мрежа), за да ускорите процеса на присвояване на светлини, особено при голям брой светлини.
4. Създаване на списък със светлини за клъстер (от страна на GPU): Създайте буфер или текстура, за да съхранявате списъците със светлини за всеки клъстер. Прехвърлете индексите на светлините, присвоени на всеки клъстер, от CPU към GPU. Това може да се постигне с помощта на текстурен буферен обект (TBO) или обект за съхранение (SBO), в зависимост от версията на WebGL и наличните разширения.
5. Етап на осветление (от страна на GPU): Внедрете шейдъра за етапа на осветление, който чете от G-буфера, определя клъстера за всеки пиксел и итерира през светлините в списъка на клъстера, за да изчисли крайния цвят.

Примери с код (GLSL)

Ето няколко фрагмента от код, илюстриращи ключови части от внедряването. Забележка: това са опростени примери и може да изискват корекции според вашите специфични нужди.

Фрагментен шейдър за G-буфер

#version 300 es

in vec3 vNormal;
in vec2 vTexCoord;

layout (location = 0) out vec4 outAlbedo;
layout (location = 1) out vec4 outNormal;
layout (location = 2) out vec4 outSpecular;

uniform sampler2D uTexture;

void main() {
  outAlbedo = texture(uTexture, vTexCoord);
  outNormal = vec4(normalize(vNormal), 0.0);
  outSpecular = vec4(0.5, 0.5, 0.5, 32.0); // Примерен цвят за спекулар и блясък
}

Фрагментен шейдър за етап на осветление

#version 300 es

in vec2 vTexCoord;

layout (location = 0) out vec4 outColor;

uniform sampler2D uAlbedo;
uniform sampler2D uNormal;
uniform sampler2D uSpecular;
uniform sampler2D uDepth;

uniform samplerBuffer uLightListBuffer;
uniform vec3 uLightPositions[MAX_LIGHTS];
uniform vec3 uLightColors[MAX_LIGHTS];

uniform int uClusterGridSizeX;
uniform int uClusterGridSizeY;
uniform int uClusterGridSizeZ;

uniform mat4 uInverseProjectionMatrix;

#define MAX_LIGHTS 256 //Пример, трябва да бъде дефинирано и консистентно

// Функция за възстановяване на световната позиция от дълбочина и екранни координати
vec3 reconstructWorldPosition(float depth, vec2 screenCoord) {
    vec4 clipSpacePosition = vec4(screenCoord * 2.0 - 1.0, depth, 1.0);
    vec4 viewSpacePosition = uInverseProjectionMatrix * clipSpacePosition;
    return viewSpacePosition.xyz / viewSpacePosition.w;
}

// Функция за изчисляване на индекс на клъстер въз основа на световната позиция
int calculateClusterIndex(vec3 worldPosition) {
    // Трансформиране на световната позиция в координатна система на изгледа
    vec4 viewSpacePosition = uInverseViewMatrix * vec4(worldPosition, 1.0);

    // Изчисляване на нормализирани координати на устройството (NDC)
    vec3 ndcPosition = viewSpacePosition.xyz / viewSpacePosition.w; //Перспективно деление

    //Трансформиране в диапазон [0, 1]
    vec3 normalizedPosition = ndcPosition * 0.5 + 0.5;

    // Ограничаване за избягване на достъп извън границите
    normalizedPosition = clamp(normalizedPosition, vec3(0.0), vec3(1.0));

    // Изчисляване на индекса на клъстера
    int clusterX = int(normalizedPosition.x * float(uClusterGridSizeX));
    int clusterY = int(normalizedPosition.y * float(uClusterGridSizeY));
    int clusterZ = int(normalizedPosition.z * float(uClusterGridSizeZ));

    // Изчисляване на 1D индекса
    return clusterX + clusterY * uClusterGridSizeX + clusterZ * uClusterGridSizeX * uClusterGridSizeY;
}


void main() {
  float depth = texture(uDepth, vTexCoord).r;
  vec3 normal = normalize(texture(uNormal, vTexCoord).xyz);
  vec3 albedo = texture(uAlbedo, vTexCoord).rgb;
  vec4 specularData = texture(uSpecular, vTexCoord);
  float shininess = specularData.a;
  float specularIntensity = 0.5; // опростен интензитет на спекулар


  // Възстановяване на световната позиция от дълбочина
  vec3 worldPosition = reconstructWorldPosition(depth, vTexCoord);

  // Изчисляване на индекс на клъстер
  int clusterIndex = calculateClusterIndex(worldPosition);

  // Определяне на началния и крайния индекс на списъка със светлини за този клъстер
    int lightListOffset = clusterIndex * 2; // Приемаме, че всеки клъстер съхранява начален и краен индекс
    int startLightIndex = int(texelFetch(uLightListBuffer, lightListOffset).r * float(MAX_LIGHTS)); //Нормализиране на индексите на светлините до [0, MAX_LIGHTS]
    int numLightsInCluster = int(texelFetch(uLightListBuffer, lightListOffset + 1).r * float(MAX_LIGHTS));


  // Натрупване на приноса от осветлението
  vec3 finalColor = vec3(0.0);
  for (int i = 0; i < numLightsInCluster; ++i) {
        int lightIndex = startLightIndex + i;
        if (lightIndex >= MAX_LIGHTS) break; // Проверка за безопасност за предотвратяване на достъп извън границите

        vec3 lightPosition = uLightPositions[lightIndex];
        vec3 lightColor = uLightColors[lightIndex];

        vec3 lightDirection = normalize(lightPosition - worldPosition);
        float distanceToLight = length(lightPosition - worldPosition);

        //Просто дифузно осветление
        float diffuseIntensity = max(dot(normal, lightDirection), 0.0);
        vec3 diffuse = diffuseIntensity * lightColor * albedo;

        //Просто спекуларно осветление
        vec3 reflectionDirection = reflect(-lightDirection, normal);
        float specularHighlight = pow(max(dot(reflectionDirection, normalize(-worldPosition)), 0.0), shininess);
        vec3 specular = specularIntensity * specularHighlight * specularData.rgb * lightColor;

        float attenuation = 1.0 / (distanceToLight * distanceToLight); // Просто затихване


        finalColor += (diffuse + specular) * attenuation;
  }

  outColor = vec4(finalColor, 1.0);
}

Важни съображения

• Размер на клъстера: Изборът на размер на клъстера е от решаващо значение. По-малките клъстери осигуряват по-добро отсяване (culling), но увеличават броя на клъстерите и натоварването при управление на списъците със светлини. По-големите клъстери намаляват натоварването, но може да доведат до разглеждане на повече светлини за пиксел. Експериментирането е ключово за намирането на оптималния размер на клъстера за вашата сцена.
• Оптимизация на присвояването на светлини: Оптимизирането на процеса на присвояване на светлини е от съществено значение за производителността. Използването на пространствени структури от данни (напр. йерархия на ограничителни обеми или мрежа) може значително да ускори процеса на намиране на клъстерите, които дадена светлина пресича.
• Пропускателна способност на паметта: Внимавайте с пропускателната способност на паметта при достъп до G-буфера и списъците със светлини на клъстерите. Използването на подходящи формати на текстури и техники за компресия може да помогне за намаляване на използването на паметта.
• Ограничения на WebGL: По-старите версии на WebGL може да нямат определени функции (като обекти за съхранение). Обмислете използването на разширения или алтернативни подходи за съхраняване на списъците със светлини. Уверете се, че вашето внедряване е съвместимо с целевата версия на WebGL.
• Производителност на мобилни устройства: Клъстерното отложено осветление може да бъде изчислително интензивно, особено на мобилни устройства. Внимателно профилирайте кода си и го оптимизирайте за производителност. Обмислете използването на по-ниски резолюции или опростени модели на осветление на мобилни устройства.

Техники за оптимизация

Няколко техники могат да бъдат използвани за допълнително оптимизиране на клъстерното отложено осветление в WebGL:

• Frustum Culling (Отсичане по зрителен обем): Преди да присвоите светлини на клъстери, извършете отсичане по зрителен обем, за да премахнете светлините, които са изцяло извън него.
• Backface Culling (Отсичане на задни лица): Отсечете триъгълниците с гръб към камерата по време на етапа на геометрия, за да намалите количеството данни, записани в G-буфера.
• Ниво на детайлност (LOD): Използвайте различни нива на детайлност за вашите модели въз основа на разстоянието им от камерата. Това може значително да намали количеството геометрия, което трябва да бъде рендирано.
• Компресия на текстури: Използвайте техники за компресия на текстури (напр. ASTC), за да намалите размера на вашите текстури и да подобрите пропускателната способност на паметта.
• Оптимизация на шейдъри: Оптимизирайте кода на вашите шейдъри, за да намалите броя на инструкциите и да подобрите производителността. Това включва техники като разгръщане на цикли, планиране на инструкции и минимизиране на разклоненията.
• Предварително изчислено осветление: Обмислете използването на техники за предварително изчислено осветление (напр. светлинни карти или сферични хармоници) за статични обекти, за да намалите изчисленията на осветлението в реално време.
• Хардуерно инстанциране: Ако имате множество инстанции на един и същ обект, използвайте хардуерно инстанциране, за да ги рендирате по-ефективно.

Алтернативи и компромиси

Въпреки че клъстерното отложено осветление предлага значителни предимства, е важно да се разгледат и алтернативите и техните съответни компромиси:

• Директно рендиране (Forward Rendering): Въпреки че е по-малко ефективно с много светлини, директното рендиране може да бъде по-лесно за внедряване и подходящо за сцени с ограничен брой светлинни източници. То също така позволява по-лесно постигане на прозрачност.
• Forward+ рендиране: Forward+ рендирането е алтернатива на отложеното рендиране, която използва compute shaders за отсяване на светлини преди етапа на директно рендиране. Това може да предложи подобни ползи за производителността като клъстерното отложено осветление. Внедряването му може да е по-сложно и да изисква специфични хардуерни функции.
• Плочково отложено осветление (Tiled Deferred Lighting): Този метод разделя екрана на 2D плочки вместо на 3D клъстери. Това може да бъде по-лесно за внедряване от клъстерното отложено осветление, но може да е по-малко ефективно за сцени със значителни вариации в дълбочината.

Изборът на техника за рендиране зависи от специфичните изисквания на вашето приложение. Вземете предвид броя на светлинните източници, сложността на сцената и целевия хардуер, когато вземате решение.

Заключение

Клъстерното отложено осветление в WebGL е мощна техника за управление на сложни сценарии на осветление в уеб-базирани графични приложения. Чрез ефективно отсяване на светлини и намаляване на преизчертаването, то може значително да подобри производителността и мащабируемостта на рендиране. Въпреки че внедряването може да е сложно, ползите по отношение на производителност и визуално качество го правят заслужаващо усилие за взискателни приложения като игри, симулации и визуализации. Внимателното обмисляне на размера на клъстерите, оптимизацията на присвояването на светлини и пропускателната способност на паметта са от решаващо значение за постигането на оптимални резултати.

С продължаващото развитие на WebGL и подобряването на хардуерните възможности, клъстерното отложено осветление вероятно ще се превърне във все по-важен инструмент за разработчиците, които се стремят да създават визуално зашеметяващи и производителни уеб-базирани 3D изживявания.

Допълнителни ресурси

• Спецификация на WebGL: https://www.khronos.org/webgl/
• OpenGL Insights: Книга с глави за напреднали техники за рендиране, включително отложено рендиране и клъстерен шейдинг.
• Научни статии: Търсете академични статии за клъстерно отложено осветление и свързани теми в Google Scholar или подобни бази данни.