Iluminación diferida agrupada WebGL: gestión avanzada de la iluminación

En el ámbito de los gráficos 3D en tiempo real, la iluminación juega un papel fundamental en la creación de escenas realistas y visualmente atractivas. Si bien los enfoques tradicionales de renderizado directo pueden volverse computacionalmente costosos con una gran cantidad de fuentes de luz, el renderizado diferido ofrece una alternativa convincente. La iluminación diferida agrupada lleva esto un paso más allá, proporcionando una solución eficiente y escalable para gestionar escenarios de iluminación complejos en aplicaciones webGL.

Entendiendo el renderizado diferido

Antes de profundizar en la iluminación diferida agrupada, es crucial comprender los principios básicos del renderizado diferido. A diferencia del renderizado directo, que calcula la iluminación para cada fragmento (píxel) a medida que se rasteriza, el renderizado diferido separa los pases de geometría e iluminación. Aquí hay un desglose:

1. Paso de geometría (Creación del G-Buffer): En el primer paso, la geometría de la escena se renderiza en múltiples objetivos de renderizado, conocidos colectivamente como G-buffer. Este búfer típicamente almacena información como:
• Profundidad: Distancia desde la cámara a la superficie.
• Normales: Orientación de la superficie.
• Albedo: Color base de la superficie.
• Especular: Color e intensidad del resaltado especular.
2. Paso de iluminación: En el segundo paso, el G-buffer se utiliza para calcular la contribución de la iluminación para cada píxel. Esto nos permite diferir los costosos cálculos de iluminación hasta que tengamos toda la información necesaria de la superficie.

El renderizado diferido ofrece varias ventajas:

• Sobredibujado reducido: Los cálculos de iluminación se realizan solo una vez por píxel, independientemente del número de fuentes de luz que lo afecten.
• Cálculos de iluminación simplificados: Toda la información de la superficie necesaria está disponible en el G-buffer, lo que simplifica las ecuaciones de iluminación.
• Geometría e iluminación desacopladas: Esto permite tuberías de renderizado más flexibles y modulares.

Sin embargo, el renderizado diferido estándar aún puede enfrentar desafíos al tratar con un gran número de fuentes de luz. Aquí es donde entra en juego la iluminación diferida agrupada.

Introducción a la iluminación diferida agrupada

La iluminación diferida agrupada es una técnica de optimización que tiene como objetivo mejorar el rendimiento del renderizado diferido, particularmente en escenas con numerosas fuentes de luz. La idea principal es dividir el frustum de visión en una cuadrícula de grupos 3D y asignar luces a estos grupos en función de su ubicación espacial. Esto nos permite determinar eficientemente qué luces afectan a qué píxeles durante el paso de iluminación.

Cómo funciona la iluminación diferida agrupada

1. Subdivisión del frustum de visión: El frustum de visión se divide en una cuadrícula 3D de grupos. Las dimensiones de esta cuadrícula (por ejemplo, 16x9x16) determinan la granularidad del agrupamiento.
2. Asignación de luces: Cada fuente de luz se asigna a los grupos con los que se intersecta. Esto se puede hacer comprobando el volumen delimitador de la luz contra los límites del grupo.
3. Creación de la lista de luces del grupo: Para cada grupo, se crea una lista de las luces que lo afectan. Esta lista se puede almacenar en un búfer o textura.
4. Paso de iluminación: Durante el paso de iluminación, para cada píxel, determinamos a qué grupo pertenece y luego iteramos sobre las luces en la lista de luces de ese grupo. Esto reduce significativamente el número de luces que deben considerarse para cada píxel.

Beneficios de la iluminación diferida agrupada

• Rendimiento mejorado: Al reducir el número de luces consideradas por píxel, la iluminación diferida agrupada puede mejorar significativamente el rendimiento de renderizado, especialmente en escenas con una gran cantidad de fuentes de luz.
• Escalabilidad: Las ganancias de rendimiento se vuelven más pronunciadas a medida que aumenta el número de fuentes de luz, lo que la convierte en una solución escalable para escenarios de iluminación complejos.
• Sobredibujado reducido: Similar al renderizado diferido estándar, la iluminación diferida agrupada reduce el sobre-dibujado al realizar cálculos de iluminación solo una vez por píxel.

Implementando la iluminación diferida agrupada en WebGL

La implementación de la iluminación diferida agrupada en WebGL implica varios pasos. Aquí hay una descripción general de alto nivel del proceso:

1. Creación del G-Buffer: Cree las texturas del G-buffer para almacenar la información de superficie necesaria (profundidad, normales, albedo, especular). Esto normalmente implica el uso de múltiples objetivos de renderizado (MRT).
2. Generación de grupos: Defina la cuadrícula de grupos y calcule los límites de los grupos. Esto se puede hacer en JavaScript o directamente en el sombreador.
3. Asignación de luces (lado de la CPU): Itere sobre las fuentes de luz y asígnelas a los grupos apropiados. Esto generalmente se hace en la CPU, ya que solo necesita calcularse cuando las luces se mueven o cambian. Considere usar una estructura de aceleración espacial (por ejemplo, una jerarquía de volumen delimitador o una cuadrícula) para acelerar el proceso de asignación de luces, especialmente con una gran cantidad de luces.
4. Creación de la lista de luces del grupo (lado de la GPU): Cree un búfer o textura para almacenar las listas de luces para cada grupo. Transfiera los índices de luz asignados a cada grupo desde la CPU a la GPU. Esto se puede lograr utilizando un objeto de búfer de textura (TBO) o un objeto de búfer de almacenamiento (SBO), según la versión de WebGL y las extensiones disponibles.
5. Paso de iluminación (lado de la GPU): Implemente el sombreador de paso de iluminación que lee del G-buffer, determina el grupo para cada píxel e itera sobre las luces en la lista de luces del grupo para calcular el color final.

Ejemplos de código (GLSL)

Aquí hay algunos fragmentos de código que ilustran las partes clave de la implementación. Nota: estos son ejemplos simplificados y pueden requerir ajustes según sus necesidades específicas.

Sombreador de fragmentos del 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); // Ejemplo de color especular e intensidad
}

Sombreador de fragmentos de paso de iluminación

#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 //Example, needs to be defined and consistent

// Function to reconstruct world position from depth and screen coordinates
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;
}

// Function to calculate cluster index based on world position
int calculateClusterIndex(vec3 worldPosition) {
    // Transform world position to view space
    vec4 viewSpacePosition = uInverseViewMatrix * vec4(worldPosition, 1.0);

    // Calculate normalized device coordinates (NDC)
    vec3 ndcPosition = viewSpacePosition.xyz / viewSpacePosition.w; //Perspective divide

    //Transform to [0, 1] range
    vec3 normalizedPosition = ndcPosition * 0.5 + 0.5;

    // Clamp to avoid out-of-bounds access
    normalizedPosition = clamp(normalizedPosition, vec3(0.0), vec3(1.0));

    // Calculate the cluster index
    int clusterX = int(normalizedPosition.x * float(uClusterGridSizeX));
    int clusterY = int(normalizedPosition.y * float(uClusterGridSizeY));
    int clusterZ = int(normalizedPosition.z * float(uClusterGridSizeZ));

    // Calculate the 1D index
    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; // simplified specular intensity


  // Reconstruct world position from depth
  vec3 worldPosition = reconstructWorldPosition(depth, vTexCoord);

  // Calculate cluster index
  int clusterIndex = calculateClusterIndex(worldPosition);

  // Determine the start and end indices of the light list for this cluster
    int lightListOffset = clusterIndex * 2; // Assuming each cluster stores start and end indices
    int startLightIndex = int(texelFetch(uLightListBuffer, lightListOffset).r * float(MAX_LIGHTS)); //Normalize light indices to [0, MAX_LIGHTS]
    int numLightsInCluster = int(texelFetch(uLightListBuffer, lightListOffset + 1).r * float(MAX_LIGHTS));


  // Accumulate lighting contributions
  vec3 finalColor = vec3(0.0);
  for (int i = 0; i < numLightsInCluster; ++i) {
        int lightIndex = startLightIndex + i;
        if (lightIndex >= MAX_LIGHTS) break; // Safety check to prevent out-of-bounds access

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

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

        //Simple Diffuse Lighting
        float diffuseIntensity = max(dot(normal, lightDirection), 0.0);
        vec3 diffuse = diffuseIntensity * lightColor * albedo;

        //Simple Specular Lighting
        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); // Simple attenuation


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

  outColor = vec4(finalColor, 1.0);
}

Consideraciones importantes

• Tamaño del grupo: La elección del tamaño del grupo es crucial. Los grupos más pequeños proporcionan un mejor recorte, pero aumentan el número de grupos y la sobrecarga de la gestión de las listas de luces de los grupos. Los grupos más grandes reducen la sobrecarga, pero pueden resultar en que se consideren más luces por píxel. La experimentación es clave para encontrar el tamaño de grupo óptimo para su escena.
• Optimización de la asignación de luces: Optimizar el proceso de asignación de luces es esencial para el rendimiento. El uso de estructuras de datos espaciales (por ejemplo, una jerarquía de volumen delimitador o una cuadrícula) puede acelerar significativamente el proceso de búsqueda de los grupos con los que se intersecta una luz.
• Ancho de banda de memoria: Tenga en cuenta el ancho de banda de la memoria al acceder al G-buffer y a las listas de luces del grupo. El uso de formatos de textura y técnicas de compresión apropiados puede ayudar a reducir el uso de memoria.
• Limitaciones de WebGL: Las versiones anteriores de WebGL pueden carecer de ciertas características (como los objetos de búfer de almacenamiento). Considere el uso de extensiones o enfoques alternativos para almacenar las listas de luces. Asegúrese de que su implementación sea compatible con la versión de WebGL de destino.
• Rendimiento móvil: La iluminación diferida agrupada puede ser computacionalmente intensiva, particularmente en dispositivos móviles. Analice cuidadosamente su código y optimice el rendimiento. Considere usar resoluciones más bajas o modelos de iluminación simplificados en dispositivos móviles.

Técnicas de optimización

Se pueden emplear varias técnicas para optimizar aún más la iluminación diferida agrupada en WebGL:

• Frustum Culling: Antes de asignar luces a los grupos, realice frustum culling para descartar las luces que están completamente fuera del frustum de visión.
• Backface Culling: Elimine los triángulos traseros durante el paso de geometría para reducir la cantidad de datos escritos en el G-buffer.
• Nivel de detalle (LOD): Use diferentes niveles de detalle para sus modelos en función de su distancia de la cámara. Esto puede reducir significativamente la cantidad de geometría que necesita renderizarse.
• Compresión de texturas: Use técnicas de compresión de texturas (por ejemplo, ASTC) para reducir el tamaño de sus texturas y mejorar el ancho de banda de la memoria.
• Optimización del sombreador: Optimice el código de su sombreador para reducir el número de instrucciones y mejorar el rendimiento. Esto incluye técnicas como el desenrollado de bucles, la programación de instrucciones y la minimización de ramificaciones.
• Iluminación precalculada: Considere el uso de técnicas de iluminación precalculadas (por ejemplo, mapas de luz o armónicos esféricos) para objetos estáticos para reducir los cálculos de iluminación en tiempo real.
• Instanciación de hardware: Si tiene múltiples instancias del mismo objeto, use la instanciación de hardware para renderizarlos de manera más eficiente.

Alternativas y compensaciones

Si bien la iluminación diferida agrupada ofrece ventajas significativas, es esencial considerar alternativas y sus respectivas compensaciones:

• Renderizado directo: Si bien es menos eficiente con muchas luces, el renderizado directo puede ser más simple de implementar y puede ser adecuado para escenas con un número limitado de fuentes de luz. También permite la transparencia con mayor facilidad.
• Renderizado Forward+: El renderizado Forward+ es una alternativa al renderizado diferido que utiliza sombreadores de cálculo para realizar el recorte de luces antes del pase de renderizado directo. Esto puede ofrecer beneficios de rendimiento similares a la iluminación diferida agrupada. Puede ser más complejo de implementar y puede requerir características de hardware específicas.
• Iluminación diferida en mosaicos: La iluminación diferida en mosaicos divide la pantalla en mosaicos 2D en lugar de grupos 3D. Esto puede ser más simple de implementar que la iluminación diferida agrupada, pero puede ser menos eficiente para escenas con una variación de profundidad significativa.

La elección de la técnica de renderizado depende de los requisitos específicos de su aplicación. Considere el número de fuentes de luz, la complejidad de la escena y el hardware objetivo al tomar su decisión.

Conclusión

La iluminación diferida agrupada WebGL es una técnica poderosa para gestionar escenarios de iluminación complejos en aplicaciones de gráficos basadas en la web. Al recortar eficientemente las luces y reducir el sobre-dibujado, puede mejorar significativamente el rendimiento y la escalabilidad del renderizado. Si bien la implementación puede ser compleja, los beneficios en términos de rendimiento y calidad visual la convierten en un esfuerzo que vale la pena para aplicaciones exigentes como juegos, simulaciones y visualizaciones. La consideración cuidadosa del tamaño del grupo, la optimización de la asignación de luces y el ancho de banda de la memoria es crucial para lograr resultados óptimos.

A medida que WebGL continúa evolucionando y las capacidades del hardware mejoran, es probable que la iluminación diferida agrupada se convierta en una herramienta cada vez más importante para los desarrolladores que buscan crear experiencias 3D visualmente impresionantes y de alto rendimiento basadas en la web.

Recursos adicionales

• Especificación WebGL: https://www.khronos.org/webgl/
• OpenGL Insights: Un libro con capítulos sobre técnicas avanzadas de renderizado, incluido el renderizado diferido y el sombreado agrupado.
• Artículos de investigación: Busque artículos académicos sobre iluminación diferida agrupada y temas relacionados en Google Scholar o bases de datos similares.