WebGL Clustered Deferred Lighting: Pokročilá správa osvětlení

V oblasti 3D grafiky v reálném čase hraje osvětlení klíčovou roli při vytváření realistických a vizuálně přitažlivých scén. Zatímco tradiční přístupy dopředného vykreslování (forward rendering) se mohou stát výpočetně náročnými při velkém počtu světelných zdrojů, odložené vykreslování (deferred rendering) nabízí přesvědčivou alternativu. Shlukové odložené osvětlení (clustered deferred lighting) posouvá tento koncept ještě o krok dál a poskytuje efektivní a škálovatelné řešení pro správu složitých světelných scénářů v aplikacích WebGL.

Porozumění odloženému vykreslování

Než se ponoříme do shlukového odloženého osvětlení, je klíčové porozumět základním principům odloženého vykreslování. Na rozdíl od dopředného vykreslování, které počítá osvětlení pro každý fragment (pixel) při jeho rasterizaci, odložené vykreslování odděluje geometrickou a osvětlovací fázi. Zde je rozpis:

1. Geometrická fáze (Vytvoření G-bufferu): V první fázi je geometrie scény vykreslena do několika renderovacích cílů, souhrnně známých jako G-buffer. Tento buffer obvykle ukládá informace jako:
   • Hloubka: Vzdálenost od kamery k povrchu.
   • Normály: Orientace povrchu.
   • Albedo: Základní barva povrchu.
   • Specular: Barva a intenzita zrcadlového odlesku.
2. Fáze osvětlení: V druhé fázi se G-buffer používá k výpočtu příspěvku osvětlení pro každý pixel. To nám umožňuje odložit náročné výpočty osvětlení, dokud nemáme všechny potřebné informace o povrchu.

Odložené vykreslování nabízí několik výhod:

• Snížené překreslování (Overdraw): Výpočty osvětlení se provádějí pouze jednou na pixel, bez ohledu na počet světelných zdrojů, které ho ovlivňují.
• Zjednodušené výpočty osvětlení: Všechny potřebné informace o povrchu jsou snadno dostupné v G-bufferu, což zjednodušuje rovnice osvětlení.
• Oddělená geometrie a osvětlení: To umožňuje flexibilnější a modulárnější vykreslovací pipeline.

Standardní odložené vykreslování však stále může čelit problémům při práci s velmi velkým počtem světelných zdrojů. A právě zde vstupuje do hry shlukové odložené osvětlení.

Představení shlukového odloženého osvětlení

Shlukové odložené osvětlení je optimalizační technika, jejímž cílem je zlepšit výkon odloženého vykreslování, zejména ve scénách s mnoha světelnými zdroji. Základní myšlenkou je rozdělit pohledový komolý jehlan (view frustum) na 3D mřížku shluků (clusterů) a přiřadit světla těmto shlukům na základě jejich prostorové polohy. To nám umožňuje efektivně určit, která světla ovlivňují které pixely během fáze osvětlení.

Jak funguje shlukové odložené osvětlení

1. Rozdělení pohledového komolého jehlanu: Pohledový komolý jehlan je rozdělen na 3D mřížku shluků. Rozměry této mřížky (např. 16x9x16) určují granularitu shlukování.
2. Přiřazení světel: Každý světelný zdroj je přiřazen ke shlukům, se kterými se protíná. To lze provést kontrolou ohraničujícího objemu světla vůči hranicím shluku.
3. Vytvoření seznamu světel pro shluk: Pro každý shluk je vytvořen seznam světel, která ho ovlivňují. Tento seznam může být uložen v bufferu nebo textuře.
4. Fáze osvětlení: Během fáze osvětlení pro každý pixel určíme, do kterého shluku patří, a poté iterujeme přes světla v seznamu světel daného shluku. Tím se výrazně snižuje počet světel, která je třeba pro každý pixel zvažovat.

Výhody shlukového odloženého osvětlení

• Zlepšený výkon: Snížením počtu zvažovaných světel na pixel může shlukové odložené osvětlení výrazně zlepšit výkon vykreslování, zejména ve scénách s velkým počtem světelných zdrojů.
• Škálovatelnost: Zvýšení výkonu je výraznější s rostoucím počtem světelných zdrojů, což z něj činí škálovatelné řešení pro složité světelné scénáře.
• Snížené překreslování: Podobně jako standardní odložené vykreslování, i shlukové odložené osvětlení snižuje překreslování prováděním výpočtů osvětlení pouze jednou na pixel.

Implementace shlukového odloženého osvětlení ve WebGL

Implementace shlukového odloženého osvětlení ve WebGL zahrnuje několik kroků. Zde je obecný přehled procesu:

1. Vytvoření G-bufferu: Vytvořte textury G-bufferu pro uložení potřebných informací o povrchu (hloubka, normály, albedo, specular). To obvykle zahrnuje použití více renderovacích cílů (MRT).
2. Generování shluků: Definujte mřížku shluků a vypočítejte jejich hranice. To lze provést v JavaScriptu nebo přímo v shaderu.
3. Přiřazení světel (na straně CPU): Iterujte přes světelné zdroje a přiřaďte je k příslušným shlukům. To se obvykle provádí na CPU, protože je třeba to počítat pouze tehdy, když se světla pohybují nebo mění. Zvažte použití prostorové akcelerační struktury (např. hierarchie ohraničujících objemů nebo mřížky) k urychlení procesu přiřazování světel, zejména při velkém počtu světel.
4. Vytvoření seznamu světel pro shluk (na straně GPU): Vytvořte buffer nebo texturu pro uložení seznamů světel pro každý shluk. Přeneste indexy světel přiřazené každému shluku z CPU na GPU. Toho lze dosáhnout pomocí texture buffer object (TBO) nebo storage buffer object (SBO), v závislosti na verzi WebGL a dostupných rozšířeních.
5. Fáze osvětlení (na straně GPU): Implementujte shader pro fázi osvětlení, který čte z G-bufferu, určuje shluk pro každý pixel a iteruje přes světla v seznamu světel daného shluku k výpočtu konečné barvy.

Příklady kódu (GLSL)

Zde jsou některé úryvky kódu ilustrující klíčové části implementace. Upozornění: jedná se o zjednodušené příklady a mohou vyžadovat úpravy podle vašich specifických potřeb.

Fragment shader pro G-Buffer

#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); // Příklad barvy odlesku a lesklosti
}

Fragment shader pro fázi osvětlení

#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 // Příklad, musí být definováno a konzistentní

// Funkce pro rekonstrukci světové pozice z hloubky a souřadnic obrazovky
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;
}

// Funkce pro výpočet indexu shluku na základě světové pozice
int calculateClusterIndex(vec3 worldPosition) {
    // Transformace světové pozice do prostoru pohledu
    vec4 viewSpacePosition = uInverseViewMatrix * vec4(worldPosition, 1.0);

    // Výpočet normalizovaných souřadnic zařízení (NDC)
    vec3 ndcPosition = viewSpacePosition.xyz / viewSpacePosition.w; //Perspective divide

    // Transformace do rozsahu [0, 1]
    vec3 normalizedPosition = ndcPosition * 0.5 + 0.5;

    // Omezení, aby se zabránilo přístupu mimo rozsah
    normalizedPosition = clamp(normalizedPosition, vec3(0.0), vec3(1.0));

    // Výpočet indexu shluku
    int clusterX = int(normalizedPosition.x * float(uClusterGridSizeX));
    int clusterY = int(normalizedPosition.y * float(uClusterGridSizeY));
    int clusterZ = int(normalizedPosition.z * float(uClusterGridSizeZ));

    // Výpočet 1D indexu
    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; // zjednodušená intenzita odlesku


  // Rekonstrukce světové pozice z hloubky
  vec3 worldPosition = reconstructWorldPosition(depth, vTexCoord);

  // Výpočet indexu shluku
  int clusterIndex = calculateClusterIndex(worldPosition);

  // Určení počátečního a koncového indexu seznamu světel pro tento shluk
    int lightListOffset = clusterIndex * 2; // Za předpokladu, že každý shluk ukládá počáteční a koncový index
    int startLightIndex = int(texelFetch(uLightListBuffer, lightListOffset).r * float(MAX_LIGHTS)); // Normalizace indexů světel na [0, MAX_LIGHTS]
    int numLightsInCluster = int(texelFetch(uLightListBuffer, lightListOffset + 1).r * float(MAX_LIGHTS));


  // Akumulace příspěvků osvětlení
  vec3 finalColor = vec3(0.0);
  for (int i = 0; i < numLightsInCluster; ++i) {
        int lightIndex = startLightIndex + i;
        if (lightIndex >= MAX_LIGHTS) break; // Bezpečnostní kontrola pro zabránění přístupu mimo rozsah

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

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

        // Jednoduché difúzní osvětlení
        float diffuseIntensity = max(dot(normal, lightDirection), 0.0);
        vec3 diffuse = diffuseIntensity * lightColor * albedo;

        // Jednoduché zrcadlové osvětlení
        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); // Jednoduchý útlum


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

  outColor = vec4(finalColor, 1.0);
}

Důležitá zvážení

• Velikost shluku: Volba velikosti shluku je klíčová. Menší shluky poskytují lepší culling, ale zvyšují počet shluků a režii spojenou se správou seznamů světel. Větší shluky snižují režii, ale mohou vést k tomu, že se pro každý pixel zvažuje více světel. Experimentování je klíčem k nalezení optimální velikosti shluku pro vaši scénu.
• Optimalizace přiřazování světel: Optimalizace procesu přiřazování světel je zásadní pro výkon. Použití prostorových datových struktur (např. hierarchie ohraničujících objemů nebo mřížky) může výrazně urychlit proces hledání, se kterými shluky se světlo protíná.
• Šířka paměťového pásma: Dbejte na šířku paměťového pásma při přístupu k G-bufferu a seznamům světel shluků. Použití vhodných formátů textur a kompresních technik může pomoci snížit využití paměti.
• Omezení WebGL: Starší verze WebGL mohou postrádat určité funkce (jako storage buffer objects). Zvažte použití rozšíření nebo alternativních přístupů k ukládání seznamů světel. Ujistěte se, že vaše implementace je kompatibilní s cílovou verzí WebGL.
• Výkon na mobilních zařízeních: Shlukové odložené osvětlení může být výpočetně náročné, zejména na mobilních zařízeních. Pečlivě profilujte svůj kód a optimalizujte výkon. Zvažte použití nižších rozlišení nebo zjednodušených modelů osvětlení na mobilech.

Optimalizační techniky

K další optimalizaci shlukového odloženého osvětlení ve WebGL lze použít několik technik:

• Frustum Culling: Před přiřazením světel ke shlukům proveďte frustum culling, abyste odstranili světla, která jsou zcela mimo pohledový komolý jehlan.
• Backface Culling: Odstraňte odvrácené trojúhelníky během geometrické fáze, abyste snížili množství dat zapisovaných do G-bufferu.
• Úroveň detailů (LOD): Používejte různé úrovně detailů pro své modely na základě jejich vzdálenosti od kamery. To může výrazně snížit množství geometrie, kterou je třeba vykreslit.
• Komprese textur: Používejte techniky komprese textur (např. ASTC) ke snížení velikosti vašich textur a zlepšení šířky paměťového pásma.
• Optimalizace shaderů: Optimalizujte kód shaderu, abyste snížili počet instrukcí a zlepšili výkon. To zahrnuje techniky jako rozvinutí smyček (loop unrolling), plánování instrukcí a minimalizaci větvení.
• Předpočítané osvětlení: Zvažte použití technik předpočítaného osvětlení (např. lightmapy nebo sférické harmonické funkce) pro statické objekty, abyste snížili výpočty osvětlení v reálném čase.
• Hardwarové instancování: Pokud máte více instancí stejného objektu, použijte hardwarové instancování k jejich efektivnějšímu vykreslení.

Alternativy a kompromisy

Ačkoli shlukové odložené osvětlení nabízí významné výhody, je nezbytné zvážit alternativy a jejich příslušné kompromisy:

• Dopředné vykreslování (Forward Rendering): Ačkoli je méně efektivní s mnoha světly, dopředné vykreslování může být jednodušší na implementaci a může být vhodné pro scény s omezeným počtem světelných zdrojů. Také snáze umožňuje průhlednost.
• Forward+ Rendering: Forward+ je alternativa k odloženému vykreslování, která používá compute shadery k provedení cullingu světel před fází dopředného vykreslování. Může nabídnout podobné výkonnostní výhody jako shlukové odložené osvětlení. Jeho implementace může být složitější a může vyžadovat specifické hardwarové funkce.
• Dlaždicové odložené osvětlení (Tiled Deferred Lighting): Dlaždicové odložené osvětlení rozděluje obrazovku na 2D dlaždice místo 3D shluků. Implementace může být jednodušší než u shlukového odloženého osvětlení, ale může být méně efektivní pro scény s výraznými hloubkovými rozdíly.

Volba vykreslovací techniky závisí na specifických požadavcích vaší aplikace. Při rozhodování zvažte počet světelných zdrojů, složitost scény a cílový hardware.

Závěr

WebGL clustered deferred lighting je výkonná technika pro správu složitých světelných scénářů ve webových grafických aplikacích. Efektivním cullingem světel a snížením překreslování může výrazně zlepšit výkon a škálovatelnost vykreslování. Ačkoli implementace může být složitá, výhody v oblasti výkonu a vizuální kvality z ní činí cenné úsilí pro náročné aplikace, jako jsou hry, simulace a vizualizace. Pečlivé zvážení velikosti shluků, optimalizace přiřazování světel a šířky paměťového pásma je klíčové pro dosažení optimálních výsledků.

Jak se WebGL neustále vyvíjí a hardwarové schopnosti se zlepšují, shlukové odložené osvětlení se pravděpodobně stane stále důležitějším nástrojem pro vývojáře, kteří se snaží vytvářet vizuálně ohromující a výkonné 3D zážitky na webu.

Další zdroje

• Specifikace WebGL: https://www.khronos.org/webgl/
• OpenGL Insights: Kniha s kapitolami o pokročilých vykreslovacích technikách, včetně odloženého vykreslování a shlukového stínování.
• Odborné články: Hledejte akademické práce o shlukovém odloženém osvětlení a souvisejících tématech na Google Scholar nebo podobných databázích.