WebGL-i klasterdatud edasilükatud valgustus: Täiustatud valgustuse haldus

Reaalajas 3D-graafika valdkonnas mängib valgustus keskset rolli realistlike ja visuaalselt atraktiivsete stseenide loomisel. Kuigi traditsioonilised edasisuunalise renderdamise lähenemisviisid võivad suure hulga valgusallikate korral muutuda arvutuslikult kulukaks, pakub edasilükatud renderdamine veenva alternatiivi. Klasterdatud edasilükatud valgustus viib selle sammu võrra edasi, pakkudes tõhusa ja skaleeritava lahenduse keerukate valgustusstenaariumide haldamiseks WebGL-i rakendustes.

Edasilükatud renderdamise mõistmine

Enne klasterdatud edasilükatud valgustuse sukeldumist on oluline mõista edasilükatud renderdamise põhiprintsiipe. Erinevalt edasisuunalisest renderdamisest, mis arvutab valgustuse iga fragmendi (piksli) jaoks selle rasterdamisel, eraldab edasilükatud renderdamine geomeetria- ja valgustuspassid. Siin on ülevaade:

1. Geomeetriapass (G-puhvri loomine): Esimeses passis renderdatakse stseeni geomeetria mitmesse renderdustekstuuri, mida ühiselt tuntakse kui G-puhvrit. See puhver salvestab tavaliselt järgmist teavet:
   • Sügavus: Kaugus kaamerast pinnani.
   • Normaalid: Pinna orientatsioon.
   • Albeedo: Pinna põhitoon.
   • Spekulaarne: Spekulaarse esiletõstmise värv ja intensiivsus.
2. Valgustuspass: Teises passis kasutatakse G-puhvrit iga piksli valgustuse panuse arvutamiseks. See võimaldab meil edasi lükata kulukaid valgustusarvutusi, kuni meil on kogu vajalik pinnateave.

Edasilükatud renderdamine pakub mitmeid eeliseid:

• Vähendatud ülekatmine: Valgustusarvutused tehakse ainult üks kord piksli kohta, olenemata seda mõjutavate valgusallikate arvust.
• Lihtsustatud valgustusarvutused: Kogu vajalik pinnateave on G-puhvris kergesti kättesaadav, lihtsustades valgustusvõrrandeid.
• Eraldatud geomeetria ja valgustus: See võimaldab paindlikumaid ja modulaarsemaid renderdustorustikke.

Kuid standardne edasilükatud renderdamine võib siiski silmitsi seista väljakutsetega, kui tegemist on väga suure hulga valgusallikatega. Siin tuleb mängu klasterdatud edasilükatud valgustus.

Klasterdatud edasilükatud valgustuse tutvustamine

Klasterdatud edasilükatud valgustus on optimeerimistehnika, mille eesmärk on parandada edasilükatud renderdamise jõudlust, eriti stseenides, kus on palju valgusallikaid. Põhiidee on jagada vaate püramiid 3D-klastrite võrguks ja määrata valgustid neile klastritele nende ruumilise asukoha alusel. See võimaldab meil tõhusalt kindlaks määrata, millised valgustid mõjutavad valgustuspassi ajal milliseid piksleid.

Kuidas klasterdatud edasilükatud valgustus töötab

1. Vaate püramiidi alajaotus: Vaate püramiid on jagatud 3D-klastrite võrguks. Selle võrgu mõõtmed (nt 16x9x16) määravad klastrite detailsuse.
2. Valguse määramine: Iga valgusallikas määratakse klastritele, mida see lõikab. Seda saab teha, kontrollides valguse piiritlevat ruumala klastri piiride suhtes.
3. Klastrite valgusloendi loomine: Iga klastri jaoks luuakse seda mõjutavate valgustite loend. Seda loendit saab salvestada puhvrisse või tekstuuri.
4. Valgustuspass: Valgustuspassi ajal määrame iga piksli jaoks, millisesse klastrisse see kuulub, ja seejärel itereerime selle klastri valgusloendis olevate valgustite kohal. See vähendab oluliselt valgustite arvu, mida tuleb iga piksli puhul arvesse võtta.

Klasterdatud edasilükatud valgustuse eelised

• Parem jõudlus: Vähendades iga piksli kohta arvesse võetavate valgustite arvu, võib klasterdatud edasilükatud valgustus oluliselt parandada renderdamise jõudlust, eriti stseenides, kus on palju valgusallikaid.
• Skaleeritavus: Jõudluse kasv muutub märgatavamaks valgusallikate arvu suurenemisel, muutes selle skaleeritavaks lahenduseks keerukate valgustusstenaariumide jaoks.
• Vähendatud ülekatmine: Sarnaselt standardsele edasilükatud renderdamisele vähendab klasterdatud edasilükatud valgustus ülekatmist, tehes valgustusarvutused ainult üks kord piksli kohta.

Klasterdatud edasilükatud valgustuse rakendamine WebGL-is

Klasterdatud edasilükatud valgustuse rakendamine WebGL-is hõlmab mitmeid samme. Siin on protsessi kõrgetasemeline ülevaade:

1. G-puhvri loomine: Looge G-puhvri tekstuurid, et salvestada vajalikku pinnateavet (sügavus, normaalid, albeedo, spekulaarne). See hõlmab tavaliselt mitme renderdustekstuuri (MRT) kasutamist.
2. Klastrite genereerimine: Määrake klastrite võrk ja arvutage klastri piirid. Seda saab teha JavaScriptis või otse varjundis.
3. Valguse määramine (CPU-poolne): Itereerige valgusallikate kohal ja määrake need sobivatesse klastritesse. Seda tehakse tavaliselt CPU-s, kuna seda tuleb arvutada ainult siis, kui valgustid liiguvad või muutuvad. Kaaluge ruumilise kiirenduse struktuuri (nt piiritleva ruumala hierarhia või võrgu) kasutamist valguse määramise protsessi kiirendamiseks, eriti suure hulga valgustite korral.
4. Klastrite valgusloendi loomine (GPU-poolne): Looge puhver või tekstuur, et salvestada iga klastri valgusloendeid. Viige igale klastrile määratud valgusindeksid CPU-st GPU-sse. Seda saab saavutada tekstuuri puhvri objekti (TBO) või salvestuspuhvri objekti (SBO) abil, sõltuvalt WebGL-i versioonist ja saadaolevatest laiendustest.
5. Valgustuspass (GPU-poolne): Rakendage valgustuspassi varjund, mis loeb G-puhvrist, määrab iga piksli jaoks klastri ja itereerib klastri valgusloendis olevate valgustite kohal, et arvutada lõplik värv.

Koodinäited (GLSL)

Siin on mõned koodilõigud, mis illustreerivad rakenduse peamisi osi. Märkus: need on lihtsustatud näited ja võivad vajada kohandusi vastavalt teie konkreetsetele vajadustele.

G-puhvri fragmendivarjund

#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); // Näide spekulaarsest värvist ja läikest
}

Valgustuspassi fragmendivarjund

#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 //Näide, tuleb määratleda ja olla järjepidev

// Funktsioon maailmapositsiooni rekonstrueerimiseks sügavusest ja ekraanikoordinaatidest
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;
}

// Funktsioon klastri indeksi arvutamiseks maailmapositsiooni alusel
int calculateClusterIndex(vec3 worldPosition) {
    // Transform world position to view space
    vec4 viewSpacePosition = uInverseViewMatrix * vec4(worldPosition, 1.0);

    // Arvutage normaliseeritud seadme koordinaadid (NDC)
    vec3 ndcPosition = viewSpacePosition.xyz / viewSpacePosition.w; //Perspektiivi jagamine

    //Transformeerige vahemikku [0, 1]
    vec3 normalizedPosition = ndcPosition * 0.5 + 0.5;

    // Klammerdage, et vältida juurdepääsu väljaspool piire
    normalizedPosition = clamp(normalizedPosition, vec3(0.0), vec3(1.0));

    // Arvutage klastri indeks
    int clusterX = int(normalizedPosition.x * float(uClusterGridSizeX));
    int clusterY = int(normalizedPosition.y * float(uClusterGridSizeY));
    int clusterZ = int(normalizedPosition.z * float(uClusterGridSizeZ));

    // Arvutage 1D indeks
    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; // lihtsustatud spekulaarne intensiivsus


  // Rekonstrueerige maailmapositsioon sügavusest
  vec3 worldPosition = reconstructWorldPosition(depth, vTexCoord);

  // Arvutage klastri indeks
  int clusterIndex = calculateClusterIndex(worldPosition);

  // Määrake selle klastri valgusloendi algus- ja lõpuindeksid
    int lightListOffset = clusterIndex * 2; // Eeldades, et iga klastri salvestab algus- ja lõpuindeksid
    int startLightIndex = int(texelFetch(uLightListBuffer, lightListOffset).r * float(MAX_LIGHTS)); //Normaliseerige valgusindeksid väärtusele [0, MAX_LIGHTS]
    int numLightsInCluster = int(texelFetch(uLightListBuffer, lightListOffset + 1).r * float(MAX_LIGHTS));


  // Koguge valgustuse panused
  vec3 finalColor = vec3(0.0);
  for (int i = 0; i < numLightsInCluster; ++i) {
        int lightIndex = startLightIndex + i;
        if (lightIndex >= MAX_LIGHTS) break; // Ohutuskontroll, et vältida juurdepääsu väljaspool piire

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

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

        //Lihtne hajus valgustus
        float diffuseIntensity = max(dot(normal, lightDirection), 0.0);
        vec3 diffuse = diffuseIntensity * lightColor * albedo;

        //Lihtne spekulaarne valgustus
        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); // Lihtne sumbumine


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

  outColor = vec4(finalColor, 1.0);
}

Olulised kaalutlused

• Klastri suurus: Klastri suuruse valik on ülioluline. Väiksemad klastrid pakuvad paremat kukkumist, kuid suurendavad klastrite arvu ja klastrite valgusloendite haldamise üldkulusid. Suuremad klastrid vähendavad üldkulusid, kuid võivad kaasa tuua rohkem valgustite arvessevõtmise piksli kohta. Katsetamine on võti oma stseeni jaoks optimaalse klastri suuruse leidmiseks.
• Valguse määramise optimeerimine: Valguse määramise protsessi optimeerimine on jõudluse jaoks hädavajalik. Ruumiliste andmestruktuuride (nt piiritleva ruumala hierarhia või võrk) kasutamine võib oluliselt kiirendada protsessi, mille käigus leitakse, milliseid klastreid valgus lõikab.
• Mälu ribalaius: Olge teadlik mäluribalaiusest, kui pääsete juurde G-puhvrile ja klastrite valgusloenditele. Sobivate tekstuuriformaatide ja tihendustehnikate kasutamine aitab vähendada mälukasutust.
• WebGL-i piirangud: Vanematel WebGL-i versioonidel võib puududa teatud funktsioone (nagu salvestuspuhvri objektid). Kaaluge laienduste või alternatiivsete lähenemisviiside kasutamist valgusloendite salvestamiseks. Veenduge, et teie rakendus ühilduks siht-WebGL-i versiooniga.
• Mobiilne jõudlus: Klasterdatud edasilükatud valgustus võib olla arvutuslikult intensiivne, eriti mobiilseadmetes. Kontrollige hoolikalt oma koodi ja optimeerige jõudluse tagamiseks. Kaaluge madalamate eraldusvõimete või lihtsustatud valgustusmudelite kasutamist mobiilis.

Optimeerimistehnikad

WebGL-is klasterdatud edasilükatud valgustuse edasiseks optimeerimiseks saab kasutada mitmeid tehnikaid:

• Püramiidi kärpimine: Enne valgustite klastritesse määramist tehke püramiidi kärpimine, et kõrvaldada valgustid, mis on täielikult väljaspool vaate püramiidi.
• Tagakülje kärpimine: Geomeetriapassi ajal kärpige tagaküljega kolmnurgad, et vähendada G-puhvrisse kirjutatavate andmete hulka.
• Detailsuse tase (LOD): Kasutage oma mudelite jaoks erinevaid detailsuse tasemeid, lähtudes nende kaugusest kaamerast. See võib oluliselt vähendada renderdatava geomeetria hulka.
• Tekstuuri tihendamine: Kasutage tekstuuride suuruse vähendamiseks ja mäluribalaiuse parandamiseks tekstuuride tihendamise tehnikaid (nt ASTC).
• Varjundite optimeerimine: Optimeerige oma varjundikoodi, et vähendada juhiste arvu ja parandada jõudlust. See hõlmab selliseid tehnikaid nagu tsükli lahtikerimine, juhiste ajastamine ja hargnemise minimeerimine.
• Eelarvestatud valgustus: Kaaluge staatiliste objektide jaoks eelarvestatud valgustustehnikate (nt valguskaardid või sfäärilised harmoonilised) kasutamist, et vähendada reaalajas valgustusarvutusi.
• Riistvara instantsimine: Kui teil on sama objekti mitu eksemplari, kasutage nende tõhusamaks renderdamiseks riistvara instantsimist.

Alternatiivid ja kompromissid

Kuigi klasterdatud edasilükatud valgustus pakub märkimisväärseid eeliseid, on oluline kaaluda alternatiive ja nende vastavaid kompromisse:

• Edasisuunaline renderdamine: Kuigi edasisuunaline renderdamine on paljude valgustitega vähem tõhus, võib seda olla lihtsam rakendada ja see võib sobida stseenidele, kus on piiratud arv valgusallikaid. See võimaldab ka läbipaistvust lihtsamalt.
• Forward+ renderdamine: Forward+ renderdamine on alternatiiv edasilükatud renderdamisele, mis kasutab arvutusvarjundeid valgustuse kärpimiseks enne edasisuunalist renderdamist. See võib pakkuda sarnaseid jõudluse eeliseid klasterdatud edasilükatud valgustusele. Seda võib olla keerulisem rakendada ja see võib vajada konkreetseid riistvarafunktsioone.
• Plaatitud edasilükatud valgustus: Plaatitud edasilükatud valgustus jagab ekraani 2D-plaatideks, mitte 3D-klastriteks. Seda võib olla lihtsam rakendada kui klasterdatud edasilükatud valgustust, kuid see võib olla vähem tõhus stseenide puhul, kus on märkimisväärne sügavuse varieerumine.

Renderdustehnika valik sõltub teie rakenduse konkreetsetest nõuetest. Otsuse tegemisel kaaluge valgusallikate arvu, stseeni keerukust ja sihtriistvara.

Järeldus

WebGL-i klasterdatud edasilükatud valgustus on võimas tehnika keerukate valgustusstenaariumide haldamiseks veebipõhistes graafikarakendustes. Valgustite tõhusa kärpimise ja ülekatmise vähendamise abil võib see oluliselt parandada renderdamise jõudlust ja skaleeritavust. Kuigi rakendamine võib olla keeruline, muudavad eelised jõudluse ja visuaalse kvaliteedi osas selle nõudlike rakenduste (nt mängud, simulatsioonid ja visualiseerimised) jaoks väärt ettevõtmiseks. Klastri suuruse, valguse määramise optimeerimise ja mäluribalaiuse hoolikas kaalumine on optimaalsete tulemuste saavutamiseks ülioluline.

Kuna WebGL areneb edasi ja riistvara võimalused paranevad, muutub klasterdatud edasilükatud valgustus tõenäoliselt üha olulisemaks tööriistaks arendajatele, kes soovivad luua visuaalselt vapustavaid ja jõudsaid veebipõhiseid 3D-kogemusi.

Lisamaterjalid

• WebGL-i spetsifikatsioon: https://www.khronos.org/webgl/
• OpenGL-i ülevaated: Raamat, mille peatükid käsitlevad täiustatud renderdustehnikaid, sealhulgas edasilükatud renderdamist ja klasterdatud varjutamist.
• Uurimistööd: Otsige Google Scholarist või sarnastest andmebaasidest akadeemilisi uurimistöid klasterdatud edasilükatud valgustuse ja sellega seotud teemade kohta.