WebGL Clustered Forward Plus renderdamine: täiustatud valguse selekteerimise tehnikad

Keeruliste 3D-stseenide reaalajas renderdamine arvukate dünaamiliste valgustega on kaasaegsetele graafikamootoritele märkimisväärne väljakutse. Valgustuse arvu suurenedes muutub iga piksli varjundamise arvutuslik maksumus keelavaks. Traditsiooniline edasisuunatud renderdamine maadleb selle stsenaariumiga, mis viib jõudluspiirangute ja vastuvõetamatute kaadrisagedusteni. Clustered Forward Plus renderdamine kerkib esile võimsa lahendusena, pakkudes tõhusat valguse selekteerimist ja paremat jõudlust, eriti stseenides, kus on palju valgust. See blogipostitus süveneb WebGL-i Clustered Forward Plus renderdamise keerukustesse, uurides selle täiustatud valguse selekteerimise tehnikaid ja demonstreerides selle eeliseid visuaalselt vapustavate ja jõudluslikult tõhusate 3D veebirakenduste loomisel.

Edasisuunatud renderdamise piirangute mõistmine

Standardses edasisuunatud renderdamises hinnatakse iga valgusallikat iga stseenis nähtava piksli jaoks. See protsess hõlmab iga valguse panuse arvutamist piksli lõplikku värvi, võttes arvesse selliseid tegureid nagu kaugus, nõrgenemine ja pinnaomadused. Selle lähenemisviisi arvutuslik keerukus on otseselt proportsionaalne tulede arvuga ja pikslite arvuga, muutes selle väga ebaefektiivseks stseenide jaoks, kus on palju tulesid. Mõelge stsenaariumile nagu elav ööturg Tokyos või kontserdilava sadade prožektoritega. Nendel juhtudel muutub traditsioonilise edasisuunatud renderdamise jõudluskulu jätkusuutmatuks.

Peamine piirang seisneb iga piksli jaoks tehtud liigsetes arvutustes. Paljud tuled ei pruugi oluliselt kaasa aidata konkreetse piksli lõplikule värvile, kuna need on liiga kaugel, teiste objektide poolt varjatud või nende valgus on liiga hämar. Nende ebaoluliste tulede hindamine raiskab väärtuslikke GPU ressursse.

Clustered Forward Plus renderdamise tutvustamine

Clustered Forward Plus renderdamine käsitleb traditsioonilise edasisuunatud renderdamise piiranguid, kasutades keerukat valguse selekteerimise tehnikat. Põhiidee on jagada 3D-renderdusruum väiksemateks mahtudeks, mida nimetatakse "klastriteks". Need klastrid esindavad lokaliseeritud piirkondi stseenis. Renderdusprotsess määrab seejärel, millised tuled mõjutavad iga klastrit ja salvestab selle teabe andmestruktuuris. Lõpliku varjutusläbimise ajal arvestatakse ainult konkreetse klastriga seotud tulesid, mis vähendab oluliselt arvutuslikke kulusid.

Kahe läbimise lähenemine

Clustered Forward Plus renderdamine hõlmab tavaliselt kahte peamist läbimist:

1. Klastri loomine ja valguse määramine: Esimesel läbimisel jagatakse 3D-ruum klastriteks ja igale valgusele määratakse klastrid, mida see potentsiaalselt mõjutab. See hõlmab iga valguse piirde mahu (nt kera või koonuse) arvutamist ja selle määramist, millised klastrid selle mahuga lõikuvad.
2. Varjustusläbimine: Teisel läbimisel renderdatakse stseen ja iga piksli puhul määratakse vastav klaster. Seejärel kasutatakse seda klastritega seotud tulesid piksli varjutamiseks.

"Plus" Clustered Forward Plussis

"Plus" Clustered Forward Plussis viitab täiustustele ja optimeeringutele, mis põhinevad põhilisel klastreeritud edasisuunatud renderdamise kontseptsioonil. Need täiustused hõlmavad tavaliselt keerukamaid valguse selekteerimise tehnikaid, nagu frustum-selekteerimine ja varjundamise selekteerimine, samuti mälu juurdepääsu ja shaderite täitmise optimeerimist.

Tehnika üksikasjalik jaotus

1. Klastri loomine

Esimene samm on 3D-renderdusruumi jagamine klastriteks. Nende klastrite mõõtmeid ja paigutust saab reguleerida jõudluse ja mälukasutuse optimeerimiseks. Levinud strateegiad hõlmavad järgmist:

• Ühtlane võre: Lihtne lähenemine, kus klastrid on paigutatud regulaarsesse võrku. Seda on lihtne rakendada, kuid see ei pruugi olla optimaalne stseenide jaoks, kus valgus on ebaühtlaselt jaotunud.
• Adaptiivne võre: Klastri suurust ja paigutust reguleeritakse dünaamiliselt vastavalt tulede tihedusele stseeni erinevates piirkondades. See võib parandada jõudlust, kuid lisab keerukust.

Klastrivõre on tavaliselt joondatud kaamera vaate frustumiga, tagades, et kõik nähtavad pikslid kuuluvad klastrisse. Sügavuskomponenti saab jagada lineaarselt või mittelineaarselt (nt logaritmiliselt), et arvestada suureneva sügavusvahemikuga kaamerast kaugemal.

2. Valguse määramine

Kui klastrid on loodud, tuleb igale valgusele määrata klastrid, mida see potentsiaalselt mõjutab. See hõlmab valguse piirde mahu (nt kera punktvalgustite jaoks, koonus prožektorite jaoks) arvutamist ja selle määramist, millised klastrid selle mahuga lõikuvad. Sellised algoritmid nagu Separating Axis Theorem (SAT) saab kasutada valguse piirde mahu ja klastri piiride ristumise tõhusaks testimiseks.

Selle protsessi tulemuseks on andmestruktuur, mis kaardistab iga klastri loeteluga tulesid, mis seda mõjutavad. Seda andmestruktuuri saab rakendada erinevate tehnikate abil, näiteks:

• Loendite massiiv: Igal klastril on seotud tuleindeksite loend.
• Kompaktne esitus: Rohkem mälusäästlik lähenemine, kus tuleindeksid salvestatakse külgnevasse massiivi ja nihete abil tuvastatakse iga klastriga seotud tuled.

3. Varjustusläbimine

Varjustusläbimise ajal töödeldakse iga pikslit ja arvutatakse selle lõplik värv. Protsess hõlmab järgmisi samme:

1. Klastri tuvastamine: Määrake, millisesse klastrisse praegune piksel kuulub vastavalt selle ekraanikoordinaatidele ja sügavusele.
2. Valguse otsimine: Hankige valgustuse määramise andmestruktuurist tuvastatud klastriga seotud tulede loend.
3. Varjutuse arvutus: Arvutage iga loetletud valguse puhul selle panus piksli värvi.

See lähenemine tagab, et iga piksli puhul võetakse arvesse ainult asjakohaseid tulesid, mis vähendab oluliselt arvutuslikke kulusid võrreldes traditsioonilise edasisuunatud renderdamisega. Näiteks kujutage ette tänavapilti Mumbais arvukate tänavavalgustite ja sõidukite esituledega. Ilma valguse selekteerimiseta arvutataks iga valgus iga piksli jaoks. Klastreeritud renderdamisega arvestatakse ainult objekti lähedal asuvaid tulesid, mis on varjutatud, parandades oluliselt tõhusust.

WebGL-i rakendamise üksikasjad

Clustered Forward Plus renderdamise rakendamine WebGL-is nõuab hoolikat kaalutlust shaderite programmeerimise, andmestruktuuride ja mälu haldamise osas. WebGL 2 pakub olulisi funktsioone, nagu teisendus tagasiside, ühtlased puhverobjektid (UBOd) ja arvutus-shaderid (pikenduste kaudu), mis hõlbustavad tõhusat rakendamist.

Shaderite programmeerimine

Valguse määramise ja varjutamise läbimised rakendatakse tavaliselt GLSL-shaderite abil. Valguse määramise shader vastutab klastriindeksite arvutamise ja tulede määramise vastavatesse klastritesse. Varjustuse shader otsib asjakohased tuled ja teeb lõplikud varjutuse arvutused.

GLSL-i näidisnäidis (valguse määramine)

            
#version 300 es

in vec3 lightPosition;
uniform mat4 projectionMatrix;
uniform mat4 viewMatrix;
uniform vec3 clusterDimensions;
uniform vec3 clusterCounts;

out int clusterIndex;

void main() {
  vec4 worldPosition = vec4(lightPosition, 1.0);
  vec4 viewPosition = viewMatrix * worldPosition;
  vec4 clipPosition = projectionMatrix * viewPosition;
  vec3 ndc = clipPosition.xyz / clipPosition.w;

  // Calculate cluster index based on NDC coordinates
  ivec3 clusterCoords = ivec3(floor(ndc.xyz * 0.5 + 0.5) * clusterCounts);
  clusterIndex = clusterCoords.x + clusterCoords.y * int(clusterCounts.x) + clusterCoords.z * int(clusterCounts.x * clusterCounts.y);
}

            

              
                Copy
              
            
          

GLSL-i näidisnäidis (varjutamine)

            
#version 300 es
precision highp float;

in vec2 v_texcoord;
uniform sampler2D u_texture;
uniform samplerBuffer u_lightBuffer;
uniform ivec3 u_clusterCounts;
uniform int u_clusterIndex;

out vec4 fragColor;

// Function to retrieve light data from the buffer
vec3 getLightPosition(int index) {
  return texelFetch(u_lightBuffer, index * 3 + 0).xyz;
}

vec3 getLightColor(int index) {
  return texelFetch(u_lightBuffer, index * 3 + 1).xyz;
}

float getLightIntensity(int index) {
  return texelFetch(u_lightBuffer, index * 3 + 2).x;
}

void main() {
  vec4 baseColor = texture(u_texture, v_texcoord);
  vec3 finalColor = baseColor.rgb;

  // Iterate through lights associated with the cluster
  for (int i = 0; i < numLightsInCluster(u_clusterIndex); ++i) {
	  int lightIndex = getLightIndexFromCluster(u_clusterIndex, i);
    vec3 lightPos = getLightPosition(lightIndex);
    vec3 lightColor = getLightColor(lightIndex);
    float lightIntensity = getLightIntensity(lightIndex);

    // Perform shading calculations (e.g., Lambertian shading)
    // ...
  }

  fragColor = vec4(finalColor, baseColor.a);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Andmestruktuurid

Tõhusad andmestruktuurid on klastri- ja valgusteabe salvestamiseks ja neile juurdepääsuks üliolulised. UBO-sid saab kasutada konstantsete andmete, näiteks klastri mõõtmete ja loendite, salvestamiseks, samas kui tekstuuripuhvreid saab kasutada valguse andmete ja klastri määramiste salvestamiseks.

Mõelge süsteemile, mis esindab valgustust kontserdisaalis Berliinis. UBO-d võivad salvestada andmeid lava mõõtmete ja kaamera asukoha kohta. Tekstuuripuhvrid võivad sisaldada andmeid iga lavavalgusti värvi, intensiivsuse ja asukoha kohta ning klastrite kohta, mida need tuled mõjutavad.

Arvutus-shaderid

Arvutus-shadereid (kasutades laiendust `EXT_shader_compute_derivatives`, kui see on saadaval) saab kasutada valguse määramise protsessi kiirendamiseks. Arvutus-shaderid võimaldavad arvutuste paralleelset täitmist GPU-s, muutes need ideaalseks selliste ülesannete jaoks nagu klastrite ristumiskohtade arvutamine ja tulede määramine. Kuid laialdast kättesaadavust ja jõudlusomadusi tuleks hoolikalt kaaluda.

Mälu haldamine

Mälu tõhus haldamine on WebGL-rakenduste jaoks hädavajalik. UBO-sid ja tekstuuripuhvreid saab kasutada andmeedastuste minimeerimiseks CPU ja GPU vahel. Lisaks saab selliseid tehnikaid nagu topeltpuhverdamine kasutada renderdamise ajal ummikute vältimiseks.

Clustered Forward Plus renderdamise eelised

Clustered Forward Plus renderdamine pakub mitmeid eeliseid võrreldes traditsioonilise edasisuunatud renderdamisega, eriti stseenides, kus on palju dünaamilisi tulesid:

• Parem jõudlus: Ebaoluliste tulede selekteerimise abil vähendab Clustered Forward Plus renderdamine oluliselt varjustuse läbimise arvutuslikke kulusid, mis viib kõrgema kaadrisageduseni.
• Skaleeritavus: Clustered Forward Plus renderdamise jõudlus skaleerub paremini tulede arvuga võrreldes traditsioonilise edasisuunatud renderdamisega. See muudab selle sobivaks stseenide jaoks, kus on sadu või isegi tuhandeid dünaamilisi tulesid.
• Visuaalne kvaliteet: Clustered Forward Plus renderdamine võimaldab kasutada rohkem tulesid ilma jõudlust ohverdamata, võimaldades luua visuaalselt rikkamaid ja realistlikumaid stseene.

Mõelge mängule, mis on seatud futuristlikus linnas nagu Neo-Tokyo. Linn on täis neoonmärke, lendavaid sõidukeid esituledega ja arvukalt dünaamilisi valgusallikaid. Clustered Forward Plus renderdamine võimaldab mängumootoril renderdada seda keerukat stseeni suure detailsusega ja realismiga ilma jõudlust ohverdamata. Võrrelge seda traditsioonilise edasisuunatud renderdamisega, kus tulede arvu tuleks oluliselt vähendada mängitava kaadrisageduse säilitamiseks, kahjustades stseeni visuaalset täpsust.

Väljakutsed ja kaalutlused

Kuigi Clustered Forward Plus renderdamine pakub märkimisväärseid eeliseid, toob see kaasa ka mõningaid väljakutseid ja kaalutlusi:

• Rakenduse keerukus: Clustered Forward Plus renderdamise rakendamine on keerulisem kui traditsiooniline edasisuunatud renderdamine. See nõuab andmestruktuuride ja shaderite hoolikat kujundamist.
• Mälu kasutamine: Klastri- ja valgusteabe salvestamine nõuab täiendavat mälu. Vajaliku mälu maht sõltub klastrite suurusest ja paigutusest, samuti tulede arvust.
• Ülekoormus: Valguse määramise läbimine tekitab teatavat ülekoormust. Selle ülekoormuse maksumus tuleb kaaluda valguse selekteerimisest saadava jõudluse suhtes.
• Läbipaistvus: Läbipaistvusega tegelemine klastreeritud renderdamisega nõuab hoolikat kaalumist. Läbipaistvad objektid võivad vajada eraldi renderdamist või erineva renderdamistehnika kasutamist.

Näiteks virtuaalreaalsuse rakenduses, mis simuleerib korallrahu Austraalia ranniku lähedal, nõuaksid helkiv valgus ja koralli keerukad detailid suurt valguse arvu. Kuid arvukate läbipaistvate kalade ja taimede olemasolu nõuab hoolikat käsitsemist, et vältida artefakte ja säilitada jõudlust.

Alternatiivid Clustered Forward Plus-ile

Kuigi Clustered Forward Plus renderdamine on võimas tehnika, on olemas ka mitmeid muid lähenemisviise stseenide käsitlemiseks paljude tuledega. Need hõlmavad:

• Edasilükatud renderdamine: See tehnika hõlmab stseeni renderdamist mitme läbimise abil, eraldades geomeetria- ja valgustuse arvutused. Edasilükatud renderdamine võib olla tõhusam kui edasisuunatud renderdamine stseenide jaoks, kus on palju tulesid, kuid see võib tekitada ka väljakutseid läbipaistvuse ja anti-aliasega.
• Plaatidel põhinev edasilükatud renderdamine: Edasilükatud renderdamise variatsioon, kus ekraan on jagatud plaatideks ja valguse selekteerimist tehakse plaadipõhiselt. See võib parandada jõudlust võrreldes standardse edasilükatud renderdamisega.
• Forward+ renderdamine: Clustered Forward renderdamise lihtsustatud versioon, mis kasutab valguse selekteerimiseks ühte ekraaniruumivõrku. Seda on lihtsam rakendada kui Clustered Forward Plus renderdamist, kuid see ei pruugi olla nii tõhus keeruliste stseenide jaoks.

Tulevased suundumused ja optimeerimised

Reaalajas renderdamise valdkond areneb pidevalt ja mitmed suundumused kujundavad Clustered Forward Plus renderdamise tulevikku:

• Riistvaraline kiirendus: Kui GPU-d muutuvad võimsamaks ja tutvustatakse spetsiaalseid riistvarafunktsioone, muutuvad valguse selekteerimise ja varjutuse arvutused veelgi tõhusamaks.
• Masinõpe: Masinõppe tehnikaid saab kasutada klastrite paigutuse, valguse määramise ja varjustusparameetrite optimeerimiseks, mis toob kaasa täiendavaid jõudluse paranemisi.
• Kiirtejälgimine: Kiirtejälgimine kerkib esile elujõulise alternatiivina traditsioonilistele rasteriseerimispõhistele renderdamistehnikatele. Kiirtejälgimine võib anda realistlikuma valgustuse ja varjud, kuid on arvutusmahukas. Hübriidrenderdamise tehnikad, mis ühendavad kiirtejälgimise rasteriseerimisega, võivad muutuda tavalisemaks.

Mõelge keerukamate algoritmide väljatöötamisele adaptiivse klastri suuruse määramiseks stseeni keerukuse põhjal. Masinõpet kasutades võivad need algoritmid ennustada reaalajas optimaalseid klastri paigutusi, mis viivad dünaamilise ja tõhusa valguse selekteerimiseni. See võib olla eriti kasulik mängudes, mis sisaldavad suuri, avatud maailmu erinevate valgustingimustega, näiteks ulatuslik avatud maailmaga RPG, mis on seatud keskaegsesse Euroopasse.

Järeldus

Clustered Forward Plus renderdamine on võimas tehnika reaalajas renderdamise jõudluse parandamiseks WebGL-i rakendustes, kus on palju dünaamilisi tulesid. Tõhusalt ebaolulisi tulesid selekteerides vähendab see varjustuse läbimise arvutuslikke kulusid, võimaldades luua visuaalselt rikkamaid ja realistlikumaid stseene. Kuigi rakendamine võib olla keeruline, muudavad parema jõudluse ja skaleeritavuse eelised selle väärtuslikuks tööriistaks mänguarendajatele, visualiseerimisspetsialistidele ja kõigile, kes loovad veebis interaktiivseid 3D-kogemusi. Kui riistvara ja tarkvara arenevad edasi, jääb Clustered Forward Plus renderdamine tõenäoliselt asjakohaseks ja oluliseks tehnikaks ka aastateks.

Kogemused erinevate klastrite suuruste, valguse määramise tehnikate ja varjustusmudelitega, et leida oma konkreetse rakenduse jaoks optimaalne konfiguratsioon. Uurige saadaolevaid WebGL-i laiendusi ja teeke, mis võivad rakendusprotsessi lihtsustada. Clustered Forward Plus renderdamise põhimõtete valdamisega saate avada potentsiaali luua brauseris vapustavat ja jõudluslikku 3D-graafikat.