WebGL Clustered Deferred Lighting: Avanceret Lysstyring

Inden for realtids 3D-grafik spiller belysning en central rolle i at skabe realistiske og visuelt tiltalende scener. Mens traditionelle forward rendering-tilgange kan blive beregningsmæssigt dyre med et stort antal lyskilder, tilbyder deferred rendering et overbevisende alternativ. Clustered deferred lighting tager dette et skridt videre og leverer en effektiv og skalerbar løsning til styring af komplekse lysscenarier i WebGL-applikationer.

Forståelse af Deferred Rendering

Før vi dykker ned i clustered deferred lighting, er det afgørende at forstå kerne-principperne for deferred rendering. I modsætning til forward rendering, som beregner belysningen for hvert fragment (pixel) når det rasteriseres, adskiller deferred rendering geometrien og belysningspassene. Her er en opdeling:

1. Geometri-pass (G-Buffer Oprettelse): I det første pass renderes scenens geometri til flere render targets, samlet kendt som G-bufferen. Denne buffer gemmer typisk information såsom:
   • Dybde: Afstand fra kameraet til overfladen.
   • Normaler: Overfladens orientering.
   • Albedo: Overfladens grundfarve.
   • Spekulær: Spekulær fremhævelsesfarve og intensitet.
2. Belysnings-pass: I det andet pass bruges G-bufferen til at beregne belysningens bidrag for hver pixel. Dette giver os mulighed for at udskyde de dyre belysningsberegninger, indtil vi har al den nødvendige overfladeinformation.

Deferred rendering tilbyder flere fordele:

• Reduceret Overdraw: Belysningsberegninger udføres kun én gang pr. pixel, uanset antallet af lyskilder, der påvirker den.
• Forenklede Belysningsberegninger: Al nødvendig overfladeinformation er let tilgængelig i G-bufferen, hvilket forenkler belysningsligningerne.
• Afkoblet Geometri og Belysning: Dette giver mulighed for mere fleksible og modulære rendering-pipelines.

Standard deferred rendering kan dog stadig stå over for udfordringer, når man håndterer et meget stort antal lyskilder. Det er her, clustered deferred lighting kommer ind i billedet.

Introduktion til Clustered Deferred Lighting

Clustered deferred lighting er en optimeringsteknik, der sigter mod at forbedre ydeevnen af deferred rendering, især i scener med talrige lyskilder. Kerneideen er at opdele synsfrustrum i et gitter af 3D-klynger og tildele lys til disse klynger baseret på deres rumlige placering. Dette giver os mulighed for effektivt at bestemme, hvilke lys der påvirker hvilke pixels under belysningspasset.

Sådan fungerer Clustered Deferred Lighting

1. Synsfrustrum Opdeling: Synsfrustrummet opdeles i et 3D-gitter af klynger. Dimensionerne af dette gitter (f.eks. 16x9x16) bestemmer granulariteten af klyngedannelsen.
2. Lystildeling: Hver lyskilde tildeles de klynger, den skærer. Dette kan gøres ved at kontrollere lysets bounding volume mod klyngernes grænser.
3. Oprettelse af Klyngelysliste: For hver klynge oprettes en liste over de lys, der påvirker den. Denne liste kan gemmes i en buffer eller tekstur.
4. Belysnings-pass: Under belysningspasset bestemmer vi for hver pixel, hvilken klynge den tilhører, og itererer derefter over lysene i den pågældende klynges lysliste. Dette reducerer betydeligt antallet af lys, der skal overvejes for hver pixel.

Fordele ved Clustered Deferred Lighting

• Forbedret Ydeevne: Ved at reducere antallet af lys, der overvejes pr. pixel, kan clustered deferred lighting betydeligt forbedre renderingens ydeevne, især i scener med et stort antal lyskilder.
• Skalerbarhed: Ydeevneforbedringerne bliver mere udtalte, efterhånden som antallet af lyskilder stiger, hvilket gør det til en skalerbar løsning for komplekse belysningsscenarier.
• Reduceret Overdraw: Ligesom standard deferred rendering reducerer clustered deferred lighting overdraw ved at udføre belysningsberegninger kun én gang pr. pixel.

Implementering af Clustered Deferred Lighting i WebGL

Implementering af clustered deferred lighting i WebGL involverer flere trin. Her er en overordnet oversigt over processen:

1. G-Buffer Oprettelse: Opret G-buffer-teksturerne til at gemme den nødvendige overfladeinformation (dybde, normaler, albedo, spekulær). Dette involverer typisk brug af flere render targets (MRT).
2. Klyngegenerering: Definer klyngegitteret og beregn klyngernes grænser. Dette kan gøres i JavaScript eller direkte i shaderen.
3. Lystildeling (CPU-side): Iterer over lyskilderne og tildel dem til de passende klynger. Dette gøres typisk på CPU'en, da det kun skal beregnes, når lys bevæger sig eller ændres. Overvej at bruge en rumlig accelerationsstruktur (f.eks. et bounding volume hierarchy eller et gitter) for at fremskynde lystildelingsprocessen, især med et stort antal lys.
4. Klyngelysliste Oprettelse (GPU-side): Opret en buffer eller tekstur til at gemme lyslisterne for hver klynge. Overfør lysindekserne tildelt hver klynge fra CPU'en til GPU'en. Dette kan opnås ved hjælp af et texture buffer object (TBO) eller et storage buffer object (SBO), afhængigt af WebGL-versionen og tilgængelige udvidelser.
5. Belysnings-pass (GPU-side): Implementer lighting pass shaderen, der læser fra G-bufferen, bestemmer klyngen for hver pixel og itererer over lysene i klyngens lysliste for at beregne den endelige farve.

Kodeeksempler (GLSL)

Her er nogle kodestykker, der illustrerer nøgledele af implementeringen. Bemærk: disse er forenklede eksempler og kan kræve justeringer baseret på dine specifikke behov.

G-Buffer Fragment Shader

#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); // Eksempel spekulær farve og glans
}

Lighting Pass Fragment Shader

#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 //Eksempel, skal defineres og være konsistent

// Funktion til at rekonstruere verdensposition fra dybde og skærmkoordinater
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;
}

// Funktion til at beregne klyngeindeks baseret på verdensposition
int calculateClusterIndex(vec3 worldPosition) {
    // Transformer verdensposition til view space
    vec4 viewSpacePosition = uInverseViewMatrix * vec4(worldPosition, 1.0);

    // Beregn normalized device coordinates (NDC)
    vec3 ndcPosition = viewSpacePosition.xyz / viewSpacePosition.w; //Perspektiv division

    //Transformer til [0, 1] område
    vec3 normalizedPosition = ndcPosition * 0.5 + 0.5;

    // Clamp for at undgå out-of-bounds adgang
    normalizedPosition = clamp(normalizedPosition, vec3(0.0), vec3(1.0));

    // Beregn klyngeindekset
    int clusterX = int(normalizedPosition.x * float(uClusterGridSizeX));
    int clusterY = int(normalizedPosition.y * float(uClusterGridSizeY));
    int clusterZ = int(normalizedPosition.z * float(uClusterGridSizeZ));

    // Beregn 1D indekset
    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; // forenklet spekulær intensitet


  // Rekonstruer verdensposition fra dybde
  vec3 worldPosition = reconstructWorldPosition(depth, vTexCoord);

  // Beregn klyngeindeks
  int clusterIndex = calculateClusterIndex(worldPosition);

  // Bestem start- og slutindekser for lyslisten for denne klynge
    int lightListOffset = clusterIndex * 2; // Antager at hver klynge gemmer start- og slutindekser
    int startLightIndex = int(texelFetch(uLightListBuffer, lightListOffset).r * float(MAX_LIGHTS)); //Normaliser lysindekser til [0, MAX_LIGHTS]
    int numLightsInCluster = int(texelFetch(uLightListBuffer, lightListOffset + 1).r * float(MAX_LIGHTS));


  // Akkumuler belysningsbidrag
  vec3 finalColor = vec3(0.0);
  for (int i = 0; i < numLightsInCluster; ++i) {
        int lightIndex = startLightIndex + i;
        if (lightIndex >= MAX_LIGHTS) break; // Sikkerhedstjek for at forhindre out-of-bounds adgang

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

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

        //Simpel Diffus Belysning
        float diffuseIntensity = max(dot(normal, lightDirection), 0.0);
        vec3 diffuse = diffuseIntensity * lightColor * albedo;

        //Simpel Spekulær Belysning
        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); // Simpel dæmpning


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

  outColor = vec4(finalColor, 1.0);
}

Vigtige Overvejelser

• Klyngestørrelse: Valget af klyngestørrelse er afgørende. Mindre klynger giver bedre culling, men øger antallet af klynger og overhead'en ved at styre klyngelyslisterne. Større klynger reducerer overhead'en, men kan resultere i, at flere lys overvejes pr. pixel. Eksperimentering er nøglen til at finde den optimale klyngestørrelse for din scene.
• Optimering af Lystildeling: Optimering af lystildelingsprocessen er afgørende for ydeevnen. Brug af rumlige datastrukturer (f.eks. et bounding volume hierarchy eller et gitter) kan betydeligt fremskynde processen med at finde ud af, hvilke klynger et lys skærer.
• Hukommelsesbåndbredde: Vær opmærksom på hukommelsesbåndbredden, når du tilgår G-bufferen og klyngelyslisterne. Brug af passende teksturformater og komprimeringsteknikker kan hjælpe med at reducere hukommelsesforbruget.
• WebGL Begrænsninger: Ældre WebGL-versioner mangler muligvis visse funktioner (som storage buffer objects). Overvej at bruge udvidelser eller alternative tilgange til at gemme lyslisterne. Sørg for, at din implementering er kompatibel med den målrettede WebGL-version.
• Mobil Ydeevne: Clustered deferred lighting kan være beregningsmæssigt intensiv, især på mobile enheder. Profiler omhyggeligt din kode og optimer for ydeevne. Overvej at bruge lavere opløsninger eller forenklede belysningsmodeller på mobil.

Optimeringsteknikker

Flere teknikker kan anvendes til yderligere at optimere clustered deferred lighting i WebGL:

• Frustum Culling: Før lys tildeles klynger, skal du udføre frustum culling for at kassere lys, der er helt uden for synsfrustrummet.
• Backface Culling: Cull bagside-trekanter under geometri-passet for at reducere mængden af data, der skrives til G-bufferen.
• Level of Detail (LOD): Brug forskellige detaljeringsniveauer for dine modeller baseret på deres afstand fra kameraet. Dette kan betydeligt reducere mængden af geometri, der skal renderes.
• Teksturkomprimering: Brug teksturkomprimeringsteknikker (f.eks. ASTC) for at reducere størrelsen af dine teksturer og forbedre hukommelsesbåndbredden.
• Shaderoptimering: Optimer din shaderkode for at reducere antallet af instruktioner og forbedre ydeevnen. Dette inkluderer teknikker såsom loop unrolling, instruktionsplanlægning og minimering af branching.
• Forberegnet Belysning: Overvej at bruge forberegnede belysningsteknikker (f.eks. lightmaps eller sfæriske harmoniske) for statiske objekter for at reducere realtids belysningsberegningerne.
• Hardware Instancing: Hvis du har flere instanser af det samme objekt, skal du bruge hardware instancing til at rendere dem mere effektivt.

Alternativer og Kompromiser

Mens clustered deferred lighting tilbyder betydelige fordele, er det vigtigt at overveje alternativer og deres respektive kompromiser:

• Forward Rendering: Selvom det er mindre effektivt med mange lys, kan forward rendering være enklere at implementere og kan være egnet til scener med et begrænset antal lyskilder. Det giver også lettere mulighed for gennemsigtighed.
• Forward+ Rendering: Forward+ rendering er et alternativ til deferred rendering, der bruger compute shaders til at udføre light culling før forward rendering passet. Dette kan tilbyde lignende ydeevnefordele som clustered deferred lighting. Det kan være mere komplekst at implementere og kan kræve specifikke hardwarefunktioner.
• Tiled Deferred Lighting: Tiled deferred lighting opdeler skærmen i 2D-fliser i stedet for 3D-klynger. Dette kan være enklere at implementere end clustered deferred lighting, men det kan være mindre effektivt for scener med betydelig dybdevariation.

Valget af renderingsteknik afhænger af de specifikke krav til din applikation. Overvej antallet af lyskilder, scenens kompleksitet og målhårdvaren, når du træffer din beslutning.

Konklusion

WebGL clustered deferred lighting er en kraftfuld teknik til styring af komplekse lysscenarier i webbaserede grafikapplikationer. Ved effektivt at culling lys og reducere overdraw, kan det betydeligt forbedre renderingens ydeevne og skalerbarhed. Selvom implementeringen kan være kompleks, gør fordelene med hensyn til ydeevne og visuel kvalitet det til en givende indsats for krævende applikationer såsom spil, simulationer og visualiseringer. Omhyggelig overvejelse af klyngestørrelse, optimering af lystildeling og hukommelsesbåndbredde er afgørende for at opnå optimale resultater.

Efterhånden som WebGL fortsætter med at udvikle sig og hardwarekapaciteter forbedres, vil clustered deferred lighting sandsynligvis blive et stadig vigtigere værktøj for udviklere, der søger at skabe visuelt imponerende og performante webbaserede 3D-oplevelser.

Yderligere Ressourcer

• WebGL Specifikation: https://www.khronos.org/webgl/
• OpenGL Insights: En bog med kapitler om avancerede renderingsteknikker, herunder deferred rendering og clustered shading.
• Forskningsartikler: Søg efter akademiske artikler om clustered deferred lighting og relaterede emner på Google Scholar eller lignende databaser.