WebGL-i klasterdatud varjustamine: skaleeritava valgustuse vallapäästmine keerukate veebistseenide jaoks

Kiiresti arenevas veebigraafika maailmas on nõudlus kaasahaaravate ja visuaalselt vapustavate 3D-elamuste järele kõrgem kui kunagi varem. Alates keerukatest tootekonfiguraatoritest kuni laiaulatuslike arhitektuuriliste visualiseerimiste ja ülitäpsete brauseripõhiste mängudeni nihutavad arendajad pidevalt otse veebibrauseris võimaliku piire. Nende veenvate virtuaalmaailmade loomise keskmes on fundamentaalne väljakutse: valgustus. Valguse ja varju peene koosmõju, metallpindade läike või pehme hajutatud ümbritseva valguse taasesitamine reaalajas ja mastaapselt kujutab endast tohutut tehnilist takistust. Siin tulebki mängu WebGL-i klasterdatud varjustamine, pakkudes keerukat ja skaleeritavat lahendust isegi kõige keerukamate veebistseenide valgustamiseks enneolematu tõhususe ja realismiga.

See põhjalik juhend süveneb WebGL-i klasterdatud varjustamise mehaanikasse, eelistesse, väljakutsetesse ja tulevikku. Uurime, miks traditsioonilised valgustusmeetodid nõudlikes olukordades hätta jäävad, selgitame lahti klasterdatud varjustamise põhiprintsiipe ja pakume praktilisi teadmisi arendajatele, kes soovivad oma veebipõhiseid 3D-rakendusi täiustada. Olenemata sellest, kas olete kogenud graafikaprogrammeerija või ambitsioonikas veebiarendaja, kes soovib uurida tipptasemel tehnikaid, valmistuge valgustama oma arusaama kaasaegsest veebirenderdamisest.

Miks traditsioonilised valgustusmeetodid keerukates veebistseenides hätta jäävad

Enne kui hakkame lahkama klasterdatud varjustamise elegantsi, on oluline mõista tavapäraste renderdustehnikate piiranguid, kui dünaamilises keskkonnas on arvukalt valgusallikaid. Iga reaalajas valgustusalgoritmi põhieesmärk on arvutada, kuidas iga piksel teie ekraanil suhtleb iga stseenis oleva valgusega. Selle arvutuse tõhusus mõjutab otseselt jõudlust, eriti piiratud ressurssidega platvormidel, nagu veebibrauserid ja mobiilseadmed.

Edasisuunaline varjustamine: N-valguse probleem

Edasisuunaline varjustamine on kõige otsekohesem ja laialdasemalt kasutatav renderdusmeetod. Edasisuunalise renderdaja puhul joonistatakse iga objekt ekraanile ükshaaval. Iga objekti piksli (fragmendi) jaoks itereerib fragmendivarjutaja läbi iga üksiku valgusallika stseenis ja arvutab selle panuse selle piksli värvile. Seda protsessi korratakse iga objekti iga piksli jaoks.

• Probleem: Edasisuunalise varjustamise arvutuslik maksumus skaleerub lineaarselt tulede arvuga, mis viib sageli nn "N-valguse probleemini". Kui teil on 'N' tuld ja 'M' pikslit objekti renderdamiseks, võib varjutaja sooritada N * M valgustusarvutust. Kui 'N' suureneb, langeb jõudlus dramaatiliselt. Mõelge stseenile sadade väikeste punktvalgustitega, nagu hõõguvad söed või dekoratiivlambid – jõudluse lisakulu muutub väga kiiresti astronoomiliseks. Iga lisatuli koormab GPU-d tugevalt, kuna selle mõju tuleb uuesti hinnata potentsiaalselt miljonite pikslite jaoks kogu stseenis, isegi kui see tuli on nähtav vaid väike osa neist.
• Eelised: Lihtsus, läbipaistvuse kerge käsitlemine ja otsene kontroll materjalide üle.
• Piirangud: Kehv skaleeritavus paljude tuledega, varjutajate kompileerimise keerukus (kui genereerida dünaamiliselt varjutajaid erinevate tulede arvu jaoks) ja suur potentsiaalne ülejoonistamine. Kuigi tehnikad, nagu edasilükatud valgustus (tipu- või pikslipõhine) või valguse eemaldamine (eeltöötlus, et määrata, millised tuled objekti mõjutavad), võivad seda mingil määral leevendada, on neil siiski raskusi stseenidega, mis nõuavad suurt hulka väikeseid, lokaliseeritud tulesid.

Edasilükatud varjustamine: valguse skaleeritavuse lahendamine kompromissidega

N-valguse probleemiga võitlemiseks, eriti mänguarenduses, kujunes edasilükatud varjustamine võimsaks alternatiiviks. Valgustuse arvutamise asemel objekti kohta eraldab edasilükatud varjustamine renderdusprotsessi kaheks põhietapiks:

1. Geomeetria etapp (G-Buffer etapp): Esimeses etapis renderdatakse objektid mitmele ekraanivälisele tekstuurile, mida tuntakse ühiselt G-puhvrina. Värvi asemel salvestavad need tekstuurid iga piksli jaoks geomeetrilisi ja materjaliomadusi, nagu asukoht, normaal, albedo (põhivärv), karedus ja metallilisus. Selles etapis valgustusarvutusi ei tehta.
2. Valgustuse etapp: Teises etapis kasutatakse G-puhvri tekstuure stseeni omaduste rekonstrueerimiseks iga piksli jaoks. Seejärel tehakse valgustusarvutused täisekraani nelinurgal. Selle nelinurga iga piksli jaoks itereeritakse kõik stseenis olevad tuled ja arvutatakse nende panus. Kuna valgustus arvutatakse pärast kogu geomeetriainfo kättesaadavust, tehakse seda ainult üks kord lõpliku nähtava piksli kohta, mitte potentsiaalselt mitu korda ülejoonistamise tõttu (pikslid, mida renderdatakse korduvalt kattuvate geomeetriate puhul).

• Eelised: Suurepärane skaleeritavus suure hulga tuledega, kuna valgustuse maksumus muutub suures osas stseeni keerukusest sõltumatuks ja sõltub peamiselt ekraani eraldusvõimest ja tulede arvust. Iga tuli mõjutab kõiki nähtavaid piksleid, kuid iga piksel valgustatakse ainult üks kord.
• Piirangud WebGL-is:
  • Mäluriba laius: Mitme kõrge eraldusvõimega G-puhvri tekstuuri (sageli 3-5 tekstuuri) salvestamine ja sämplimine võib tarbida märkimisväärset GPU mäluriba laiust, mis võib olla kitsaskoht veebitoega seadmetes, eriti mobiilsetes.
  • Läbipaistvus: Edasilükatud varjustamisel on olemuslikult raskusi läbipaistvate objektidega. Kuna läbipaistvad objektid ei varja täielikult seda, mis nende taga on, ei saa nad oma omadusi G-puhvrisse lõplikult kirjutada samamoodi nagu läbipaistmatud objektid. Eriline käsitlemine (mis nõuab sageli eraldi edasisuunalist etappi läbipaistvate objektide jaoks) lisab keerukust.
  • WebGL2 tugi: Kuigi WebGL2 toetab mitut renderdussihtmärki (MRT), mis on G-puhvrite jaoks hädavajalikud, võivad mõned vanemad või vähem võimsad seadmed hätta jääda ning kogu mälukasutus võib väga suurte eraldusvõimete puhul siiski olla takistuseks.
  • Kohandatud varjutaja keerukus: Mitme G-puhvri tekstuuri ja nende tõlgendamise haldamine valgustuse etapis võib viia keerukama varjutajakoodini.

Klasterdatud varjustamise koidik: hübriidne lähenemine

Tunnistades edasilükatud varjustamise tugevusi arvukate tulede käsitlemisel ja edasisuunalise renderdamise lihtsust läbipaistvuse osas, otsisid teadlased ja graafikainsenerid hübriidlahendust. See viis selliste tehnikate väljatöötamiseni nagu plaaditud edasilükatud varjustamine ja lõpuks, klasterdatud varjustamine. Nende meetodite eesmärk on saavutada edasilükatud renderdamise valguse skaleeritavus, minimeerides samal ajal selle puudusi, eriti G-puhvri mälukasutust ja läbipaistvuse probleeme.

Klasterdatud varjustamine ei itereeri läbi kõikide tulede iga piksli jaoks ega nõua massiivset G-puhvrit. Selle asemel jaotab see nutikalt 3D-vaatefrustumi (teie stseeni nähtava ruumala) väiksemate ruumalade ruudustikuks, mida nimetatakse "klastriteks". Iga klastri jaoks määrab see, millised tuled asuvad selle sees või lõikuvad sellega. Seejärel, kui fragmenti (pikslit) töödeldakse, tuvastab süsteem, millisesse klastrisse see fragment kuulub, ja rakendab valgustust ainult selle konkreetse klastriga seotud tuledest. See vähendab oluliselt valgustusarvutuste arvu fragmendi kohta, mis toob kaasa märkimisväärse jõudluse kasvu.

Põhiline uuendus on valguse eemaldamine mitte ainult objekti või piksli kohta, vaid väikese 3D-ruumala kohta, luues tõhusalt ruumiliselt lokaliseeritud tulede loendi. See muudab selle eriti võimsaks paljude lokaliseeritud valgusallikatega stseenide jaoks, kus iga tuli valgustab ainult väikest osa stseenist.

WebGL-i klasterdatud varjustamise lahtivõtmine: põlimehhanism

Klasterdatud varjustamise rakendamine hõlmab mitmeid erinevaid etappe, mis töötavad koos, et pakkuda tõhusat valgustust. Kuigi spetsiifika võib varieeruda, jääb põhiline töövoog samaks:

1. samm: stseeni jaotamine – virtuaalne ruudustik

Esimene kriitiline samm on vaatefrustumi jaotamine regulaarseks 3D-klastrite ruudustikuks. Kujutage ette, et teie kaamera nähtav maailm on lõigatud mitmeks väiksemaks kastiks.

• Ruumiline alajaotus: Frustum jaotatakse tavaliselt ekraaniruumis (X- ja Y-telg) ja piki vaatesuunda (Z-telg ehk sügavus).
• XY jaotus: Ekraan jaotatakse ühtlaseks ruudustikuks, sarnaselt plaaditud edasilükatud varjustamise toimimisele. Näiteks 1920x1080 ekraan võidakse jaotada 32x18 plaadiks, mis tähendab, et iga plaat on 60x60 pikslit.
• Z jaotus (sügavus): Siin tuleb "klastri" aspekt tõeliselt esile. Frustumi sügavusvahemik (lähitasandist kaugtasandini) jaotatakse samuti mitmeks viiluks. Need viilud on sageli mittelineaarsed (nt logaritmilised), et pakkuda peenemat detaili kaamera lähedal, kus objektid on suuremad ja paremini eristatavad, ning jämedamat detaili kaugemal. See on oluline, kuna tuled mõjutavad üldiselt väiksemaid alasid kaamerale lähemal ja suuremaid alasid kaugemal, seega aitab mittelineaarne alajaotus säilitada optimaalse tulede arvu klastri kohta.
• Tulemus: XY-plaatide ja Z-viilude kombinatsioon loob 3D-ruudustiku "klastritest" vaatefrustumis. Iga klaster esindab väikest ruumala maailmaruumis. Näiteks 32x18 (XY) x 24 (Z) viilu tulemuseks oleks 13 824 klastrit.
• Andmestruktuur: Kuigi neid ei salvestata selgesõnaliselt üksikute objektidena, arvutatakse nende klastrite omadused (nagu nende maailmaruumi piirdekast või minimaalsed/maksimaalsed sügavusväärtused) kaudselt kaamera projektsioonimaatriksi ja ruudustiku mõõtmete põhjal.

2. samm: valguse eemaldamine – klastrite asustamine

Kui klastrid on määratletud, on järgmine samm kindlaks teha, millised tuled milliste klastritega lõikuvad. See on "eemaldamise" faas, kus me filtreerime iga klastri jaoks välja ebaolulised tuled.

• Valguse lõikumise test: Iga aktiivse valgusallika jaoks stseenis (nt punktvalgustid, prožektorvalgustid) tehakse lõikumise test iga klastri piirderuumalaga. Kui valgusallika mõjusfäär (punktvalgustite puhul) või frustum (prožektorvalgustite puhul) kattub klastri piirderuumalaga, loetakse see valgus selle klastri jaoks asjakohaseks.
• Valgusloendite andmestruktuurid: Eemaldamisfaasi tulemus tuleb salvestada tõhusalt, et fragmendivarjutaja saaks sellele kiiresti juurde pääseda. See hõlmab tavaliselt kahte peamist andmestruktuuri:
  1. Valguse ruudustik (või klastri ruudustik): 2D-tekstuur või puhver (nt WebGL2 Shader Storage Buffer Object - SSBO), mis salvestab iga klastri kohta:
     • Algindeksi globaalsesse valgusindeksite loendisse.
     • Seda klastrit mõjutavate tulede arvu.
     See annab tõhusalt viida iga klastri tulede alamloendile.
  2. Valgusindeksite loend: Teine puhver (SSBO), mis salvestab tasapinnalise valgusindeksite loendi. Kui klaster 0 sisaldab tulesid 5, 12, 3 ja klaster 1 tulesid 1, 8, võib valgusindeksite loend välja näha järgmiselt: [5, 12, 3, 1, 8, ...]. Valguse ruudustik ütleb fragmendivarjutajale, kust sellest loendist oma asjakohaseid tulesid otsida.
• Rakendusstrateegiad (CPU vs. GPU):
  • CPU-põhine eemaldamine: Traditsiooniline lähenemine hõlmab valguse ja klastri lõikumistestide tegemist CPU-l. Pärast eemaldamist laadib CPU uuendatud valguse ruudustiku ja valgusindeksite loendi andmed GPU puhvritesse (Uniform Buffer Objects - UBO-d või SSBO-d). Seda on lihtsam rakendada, kuid see võib muutuda kitsaskohaks väga suure hulga tulede või klastrite korral, eriti kui tuled on väga dünaamilised.
  • GPU-põhine eemaldamine: Maksimaalse jõudluse saavutamiseks, eriti dünaamiliste tuledega, saab eemaldamise täielikult GPU-le üle kanda. WebGL2-s on see keerulisem ilma arvutusvarjutajateta (mis on saadaval WebGPU-s). Siiski saab GPU-poolse eemaldamise saavutamiseks kasutada teisendustagasiside tehnikaid või hoolikalt struktureeritud mitme renderdusetapi meetodeid. WebGPU lihtsustab seda oluliselt spetsiaalsete arvutusvarjutajatega.

3. samm: valgustuse arvutamine – fragmendivarjutaja roll

Kui klastrid on asustatud vastavate valgusloenditega, on viimane ja kõige jõudluskriitilisem samm tegelike valgustusarvutuste tegemine fragmendivarjutajas iga ekraanile joonistatud piksli jaoks.

• Fragmendi klastri määramine: Iga fragmendi jaoks kasutatakse selle ekraaniruumi X- ja Y-koordinaate (gl_FragCoord.xy) ja selle sügavust (gl_FragCoord.z), et arvutada, millisesse 3D-klastrisse see kuulub. See hõlmab tavaliselt mõningaid maatriksite korrutamisi ja jagamisi, mis kaardistavad ekraani- ja sügavuskoordinaadid tagasi klastri ruudustiku indeksiteks.
• Valgusinfo hankimine: Kui klastri indeks (nt (clusterX, clusterY, clusterZ)) on teada, kasutab fragmendivarjutaja seda indeksit Valguse ruudustiku andmestruktuuri sämplimiseks. See otsing annab asjakohaste tulede algindeksi ja arvu Valgusindeksite loendis.
• Asjakohaste tulede itereerimine: Fragmendivarjutaja itereerib seejärel ainult läbi hangitud alamloendis määratud tulede. Iga sellise tule jaoks teeb see standardseid valgustusarvutusi (nt hajus-, peegeldus-, ümbritseva valguse komponendid, varjude kaardistamine, füüsikaliselt põhineva renderdamise - PBR valemid).
• Tõhusus: See on peamine tõhususe kasv. Selle asemel, et itereerida potentsiaalselt sadu või tuhandeid tulesid, töötleb fragmendivarjutaja ainult käputäit tulesid (tavaliselt 10-30 hästi häälestatud süsteemis), mis tegelikult mõjutavad selle konkreetse piksli klastrit. See vähendab drastiliselt arvutuslikku maksumust piksli kohta, eriti stseenides, kus on arvukalt lokaliseeritud tulesid.

Põhilised andmestruktuurid ja nende haldamine

Kokkuvõtteks võib öelda, et klasterdatud varjustamise edukas rakendamine sõltub suuresti nendest olulistest andmestruktuuridest, mida hallatakse tõhusalt GPU-l:

• Valgusomaduste puhver (UBO/SSBO): Salvestab kõigi valgusomaduste (värv, asukoht, raadius, tüüp jne) globaalse loendi. Sellele pääseb juurde indeksi kaudu.
• Klastri ruudustiku tekstuur/puhver (SSBO): Salvestab (startIndex, lightCount) paarid iga klastri jaoks, kaardistades klastri indeksi Valgusindeksite loendi jaotisele.
• Valgusindeksite loendi puhver (SSBO): Tasapinnaline massiiv, mis sisaldab iga klastrit mõjutavate tulede indekseid, mis on kokku liidetud.
• Kaamera ja projektsiooni maatriksid (UBO): Olulised koordinaatide teisendamiseks ja klastri piiride arvutamiseks.

Neid puhvreid uuendatakse tavaliselt kord kaadri kohta või siis, kui tuled/kaamera muutuvad, võimaldades väga dünaamilisi valguskeskkondi minimaalse lisakuluga.

Klasterdatud varjustamise eelised WebGL-is

Klasterdatud varjustamise kasutuselevõtu eelised WebGL-rakenduste jaoks on märkimisväärsed, eriti graafiliselt intensiivsete ja keerukate stseenide puhul:

• Suurepärane skaleeritavus tuledega: See on peamine eelis. Klasterdatud varjustamine suudab käsitleda sadu, isegi tuhandeid dünaamilisi valgusallikaid oluliselt väiksema jõudluse langusega kui edasisuunaline renderdamine. Jõudluskulu sõltub keskmisest tulede arvust klastri kohta, mitte stseeni kogu tulede arvust. See võimaldab arendajatel luua väga detailset ja realistlikku valgustust, kartmata kohest jõudluse kokkuvarisemist.
• Optimeeritud fragmendivarjutaja jõudlus: Töödeldes ainult fragmendi vahetus läheduses asuvaid asjakohaseid tulesid, teeb fragmendivarjutaja palju vähem arvutusi. See vähendab GPU töökoormust ja säästab energiat, mis on oluline mobiilsete ja vähem võimsate veebitoega seadmete jaoks. See tähendab, et keerulised PBR-varjutajad saavad endiselt tõhusalt töötada isegi paljude tuledega.
• Tõhus mälukasutus (võrreldes edasilükatud meetodiga): Kuigi see kasutab valgusloendite jaoks puhvreid, väldib klasterdatud varjustamine edasilükatud renderdamise täieliku G-puhvri suurt mäluriba laiust ja salvestusnõudeid. See nõuab sageli vähem või väiksemaid tekstuure, muutes selle mälu-sõbralikumaks WebGL-i jaoks, eriti integreeritud graafikaga süsteemides.
• Loomulik läbipaistvuse tugi: Erinevalt traditsioonilisest edasilükatud varjustamisest kohandub klasterdatud varjustamine kergesti läbipaistvate objektidega. Kuna valgustus arvutatakse fragmendi kohta lõplikus renderdusetapis, saab läbipaistvaid objekte renderdada standardsete edasisuunalise segamise tehnikatega pärast läbipaistmatuid objekte ning nende pikslid saavad endiselt küsida valgusloendeid klastritest. See lihtsustab oluliselt renderdustoru keerukate stseenide jaoks, mis hõlmavad klaasi, vett või osakeste efekte.
• Paindlikkus varjustusmudelitega: Klasterdatud varjustamine ühildub praktiliselt iga varjustusmudeliga, sealhulgas füüsikaliselt põhineva renderdamisega (PBR). Valgusandmed antakse lihtsalt fragmendivarjutajale, mis saab seejärel rakendada mis tahes soovitud valgustusvõrrandeid. See võimaldab kõrget visuaalset täpsust ja realismi.
• Vähendatud ülejoonistamise mõju: Kuigi see ei kõrvalda ülejoonistamist täielikult nagu edasilükatud varjustamine, on ülejoonistamise kulu oluliselt vähenenud, kuna üleliigsed fragmendi arvutused piirduvad väikese, eemaldatud tulede alamhulgaga, mitte kõigi tuledega.
• Täiustatud visuaalne detail ja kaasahaaravus: Lubades suuremat arvu individuaalseid valgusallikaid, annab klasterdatud varjustamine kunstnikele ja disaineritele võimaluse luua nüansirikkamaid ja detailsemaid valguskeskkondi. Kujutage ette öist linnastseeni tuhandete individuaalsete tänavavalgustite, hoonetulede ja autotuledega, mis kõik panustavad realistlikult stseeni valgustamisse ilma jõudlust halvustamata.
• Platvormideülene ligipääsetavus: Tõhusa rakendamise korral võib klasterdatud varjustamine avada ülitäpseid 3D-elamusi, mis töötavad sujuvalt laiemas seadmete ja võrgutingimuste valikus, demokratiseerides juurdepääsu täiustatud veebigraafikale kogu maailmas. See tähendab, et arengumaa kasutaja keskmise võimsusega nutitelefoniga saab endiselt kogeda visuaalselt rikkalikku rakendust, mis muidu võiks olla piiratud tipptasemel lauaarvutitega.

Väljakutsed ja kaalutlused WebGL-i rakendamisel

Kuigi klasterdatud varjustamine pakub olulisi eeliseid, ei ole selle rakendamine WebGL-is ilma oma keerukuste ja kaalutlusteta:

• Suurenenud rakendamise keerukus: Võrreldes põhilise edasisuunalise renderdajaga hõlmab klasterdatud varjustamise seadistamine keerukamaid andmestruktuure, koordinaatide teisendusi ning CPU ja GPU vahelist sünkroniseerimist. See nõuab sügavamat arusaamist graafikaprogrammeerimise kontseptsioonidest. Arendajad peavad hoolikalt haldama puhvreid, arvutama klastri piire ja kirjutama keerukamaid GLSL-varjutajaid.
• WebGL2 nõuded: Klasterdatud varjustamise tõhusaks täielikuks ärakasutamiseks on WebGL2 väga soovitatav, kui mitte rangelt vajalik. Omadused nagu Shader Storage Buffer Objects (SSBO-d) suurte valgusloendite jaoks ja Uniform Buffer Objects (UBO-d) valgusomaduste jaoks on jõudluse seisukohalt kriitilised. Ilma nendeta võivad arendajad kasutada vähem tõhusaid tekstuuripõhiseid lähenemisviise või CPU-mahukaid lahendusi. See võib piirata ühilduvust vanemate seadmete või brauseritega, mis toetavad ainult WebGL1-d.
• CPU lisakulu eemaldamisfaasis: Kui valguse eemaldamine (tulede ja klastrite lõikumine) tehakse täielikult CPU-l, võib see muutuda kitsaskohaks, eriti massiivse arvu dünaamiliste tulede või väga suure klastrite arvu korral. Selle CPU faasi optimeerimine ruumiliste kiirendusstruktuuridega (nagu octrees või k-d puud valguse päringute jaoks) on ülioluline.
• Optimaalne klastri suurus ja alajaotus: XY-plaatide ja Z-viilude ideaalse arvu (klastri ruudustiku eraldusvõime) määramine on häälestamise väljakutse. Liiga vähe klastreid tähendab rohkem tulesid klastri kohta (vähem eemaldamise tõhusust), samas kui liiga palju klastreid tähendab rohkem mälu valgusruudustiku jaoks ja potentsiaalselt rohkem lisakulu otsingul. Z-alajaotuse strateegia (lineaarne vs. logaritmiline) mõjutab samuti tõhusust ja visuaalset kvaliteeti ning vajab hoolikat kalibreerimist erinevate stseenide skaalade jaoks.
• Andmestruktuuride mälujälg: Kuigi üldiselt mälu-efektiivsem kui edasilükatud varjustamise G-puhver, võivad valguse ruudustik ja valgusindeksite loend siiski tarbida märkimisväärset GPU mälu, kui klastrite või tulede arv on ülemäära suur. Vajalik on hoolikas haldamine ja potentsiaalselt dünaamiline suuruse muutmine.
• Varjutaja keerukus ja silumine: Fragmendivarjutaja muutub keerukamaks, kuna on vaja arvutada klastri indeks, sämplida valguse ruudustikku ja itereerida läbi valgusindeksite loendi. Valguse eemaldamise või valede valgusindeksitega seotud probleemide silumine võib olla keeruline, kuna see hõlmab sageli GPU puhvri sisu kontrollimist või klastri piiride visualiseerimist.
• Dünaamilised stseeniuudendused: Kui tuled liiguvad, ilmuvad või kaovad või kui kaamera vaatefrustum muutub, tuleb uuendada valguse eemaldamise faasi ja sellega seotud GPU puhvreid (valguse ruudustik, valgusindeksite loend). Tõhusad algoritmid inkrementaalsete uuenduste jaoks on vajalikud, et vältida kõige uuesti arvutamist iga kaadri järel, mis võib tekitada CPU-GPU sünkroniseerimise lisakulu.
• Integratsioon olemasolevate mootorite/raamistikutega: Kuigi kontseptsioonid on universaalsed, võib klasterdatud varjustamise integreerimine olemasolevasse WebGL-mootorisse nagu Three.js või Babylon.js nõuda olulisi muudatusi nende põhilistes renderdustorudes või see võib vajada rakendamist kohandatud renderdusetapina.

Klasterdatud varjustamise rakendamine WebGL-is: praktiline ülevaade (kontseptuaalne)

Kuigi täieliku, käivitatava koodinäite pakkumine ületab blogipostituse ulatuse, saame visandada kontseptuaalsed sammud ja tuua esile peamised WebGL2 funktsioonid, mis on seotud klasterdatud varjustamise rakendamisega. See annab arendajatele selge tegevuskava oma projektide jaoks.

Eeltingimused: WebGL2 ja GLSL 3.0 ES

Klasterdatud varjustamise tõhusaks rakendamiseks vajate peamiselt:

• WebGL2 kontekst: Oluline funktsioonide jaoks nagu SSBO-d, UBO-d, mitu renderdussihtmärki (MRT) ja paindlikumad tekstuurivormingud.
• GLSL ES 3.00: WebGL2 varjutajakeel, mis toetab vajalikke täiustatud funktsioone.

Kõrgetasemelised rakendusetapid:

1. Seadistage klastri ruudustiku parameetrid

Määratlege oma klastri ruudustiku eraldusvõime (CLUSTER_X_DIM, CLUSTER_Y_DIM, CLUSTER_Z_DIM). Arvutage vajalikud maatriksid ekraaniruumi ja sügavuskoordinaatide teisendamiseks klastri indeksiteks. Sügavuse jaoks peate määratlema, kuidas frustumi Z-vahemik jaotatakse (nt logaritmiline kaardistamisfunktsioon).

2. Initsialiseerige valgusandmete struktuurid GPU-l

Looge ja täitke oma globaalne valgusomaduste puhver (nt SSBO WebGL2-s või UBO, kui tulede arv on UBO suurusepiirangute jaoks piisavalt väike). See puhver sisaldab kõigi stseeni tulede värvi, asukohta, raadiust ja muid atribuute. Samuti peate eraldama mälu Valguse ruudustiku (SSBO või 2D-tekstuur, mis salvestab (startIndex, lightCount)) ja Valgusindeksite loendi (SSBO, mis salvestab lightIndex väärtusi) jaoks. Need täidetakse hiljem.

            // Näide (kontseptuaalne) GLSL valguse struktuuri jaoks
struct Light {
    vec4 position;
    vec4 color;
    float radius;
    // ... muud valguse omadused
};

layout(std140, binding = 0) readonly buffer LightsBuffer {
    Light lights[];
} lightsData;

// Näide (kontseptuaalne) GLSL klastri ruudustiku kirje jaoks
struct ClusterData {
    uint startIndex;
    uint lightCount;
};

layout(std430, binding = 1) readonly buffer ClusterGridBuffer {
    ClusterData clusterGrid[];
} clusterGridData;

// Näide (kontseptuaalne) GLSL valgusindeksite loendi jaoks
layout(std430, binding = 2) readonly buffer LightIndicesBuffer {
    uint lightIndices[];
} lightIndicesData;

            

              
                Copy
              
            
          

3. Valguse eemaldamise faas (CPU-põhine näide)

See faas käivitatakse enne stseeni geomeetria renderdamist. Iga kaadri jaoks (või kui tuled/kaamera liiguvad):

1. Tühjendamine/lähtestamine: Initsialiseerige valguse ruudustiku ja valgusindeksite loendi andmestruktuurid (nt CPU-l).
2. Itereerige klastreid ja tulesid: Iga klastri jaoks oma 3D-ruudustikus:
   1. Arvutage klastri maailmaruumi piirdekast või frustum kaamera maatriksite ja klastri indeksite põhjal.
   2. Iga aktiivse tule jaoks stseenis tehke lõikumistest tule piirderuumala ja klastri piirderuumala vahel.
   3. Kui lõikumine toimub, lisage tule globaalne indeks selle klastri ajutisse loendisse.
3. Täitke GPU puhvrid: Pärast kõigi klastrite töötlemist liitke kõik ajutised klastripõhised valgusloendid üheks tasapinnaliseks massiiviks. Seejärel täitke lightIndicesData SSBO selle massiiviga. Uuendage clusterGridData SSBO-d iga klastri (startIndex, lightCount)-ga.

Märkus GPU eemaldamise kohta: Täiustatud seadistuste jaoks kasutaksite teisendustagasisidet või renderdaksite tekstuurile sobiva andmekodeeringuga WebGL2-s, et teha see eemaldamine GPU-l, kuigi see on WebGL2-s oluliselt keerulisem kui CPU-põhine eemaldamine. WebGPU arvutusvarjutajad muudavad selle protsessi palju loomulikumaks ja tõhusamaks.

4. Fragmendivarjutaja valgustuse arvutamiseks

Oma peamises fragmendivarjutajas (geomeetria etapi jaoks või järgnevas valgustuse etapis läbipaistmatute objektide jaoks):

1. Arvutage klastri indeks: Kasutades fragmendi ekraaniruumi asukohta (gl_FragCoord.xy) ja sügavust (gl_FragCoord.z) ning kaamera projektsiooniparameetreid, määrake 3D-indeks (clusterX, clusterY, clusterZ) klastrist, kuhu fragment kuulub. See hõlmab pöördprojektsiooni ja kaardistamist ruudustikule.
2. Otsige valgusloend: Pääsete juurde clusterGridData puhvrile, kasutades arvutatud klastri indeksit, et hankida selle klastri startIndex ja lightCount.
3. Itereerige ja valgustage: Tehke tsükkel lightCount korda. Igas iteratsioonis kasutage startIndex + i, et saada lightIndex lightIndicesData-st. Seejärel kasutage seda lightIndex-it, et hankida tegelikud Light omadused lightsData-st. Tehke oma valgustusarvutused (nt Blinn-Phong, PBR), kasutades neid hangitud valgusomadusi ja fragmendi materjaliomadusi (normaalid, albedo jne).

            // Näide (kontseptuaalne) GLSL fragmendivarjutaja jaoks
void main() {
    // ... (hankige fragmendi asukoht, normaal, albedo G-puhvrist või varying-utest)

    vec3 viewPos = fragPosition;
    vec3 viewNormal = normalize(fragNormal);
    vec3 albedo = fragAlbedo;
    float metallic = fragMetallic;
    float roughness = fragRoughness;

    // 1. Arvutage klastri indeks (lihtsustatud)
    vec3 normalizedDeviceCoords = vec3(
        gl_FragCoord.x / RENDER_WIDTH * 2.0 - 1.0,
        gl_FragCoord.y / RENDER_HEIGHT * 2.0 - 1.0,
        gl_FragCoord.z
    );
    vec4 worldPos = inverseProjectionMatrix * vec4(normalizedDeviceCoords, 1.0);
    worldPos /= worldPos.w;
    // ... robustsem klastri indeksi arvutamine worldPos ja kaamera frustumi põhjal

    uvec3 clusterIdx = getClusterIndex(gl_FragCoord.xy, gl_FragCoord.z, cameraProjectionMatrix);
    uint flatClusterIdx = clusterIdx.x + clusterIdx.y * CLUSTER_X_DIM + clusterIdx.z * CLUSTER_X_DIM * CLUSTER_Y_DIM;

    // 2. Otsige valgusloend
    ClusterData currentCluster = clusterGridData.clusterGrid[flatClusterIdx];
    uint startIndex = currentCluster.startIndex;
    uint lightCount = currentCluster.lightCount;

    vec3 finalLight = vec3(0.0);

    // 3. Itereerige ja valgustage
    for (uint i = 0u; i < lightCount; ++i) {
        uint lightIdx = lightIndicesData.lightIndices[startIndex + i];
        Light currentLight = lightsData.lights[lightIdx];

        // Tehke PBR või muud valgustusarvutused currentLight jaoks
        // Näide: lisage hajus panus
        vec3 lightDir = normalize(currentLight.position.xyz - viewPos);
        float diff = max(dot(viewNormal, lightDir), 0.0);
        finalLight += currentLight.color.rgb * diff;
    }

    gl_FragColor = vec4(albedo * finalLight, 1.0);
}

            

              
                Copy
              
            
          

See kontseptuaalne kood illustreerib põhiloogikat. Tegelik rakendamine hõlmab täpset maatriksmatemaatikat, erinevate valgustüüpide käsitlemist ja integreerimist teie valitud PBR-mudeliga.

Tööriistad ja teegid

Kuigi peavoolu WebGL-teegid nagu Three.js ja Babylon.js ei sisalda veel täisväärtuslikke, karbist-väljas klasterdatud varjustamise rakendusi, võimaldavad nende laiendatavad arhitektuurid kohandatud renderdusetappe ja varjutajaid. Arendajad saavad kasutada neid raamistikke alusena ja integreerida oma klasterdatud varjustamise süsteemi. Geomeetria, maatriksite ja varjutajate aluspõhimõtted kehtivad universaalselt kõigi graafika API-de ja teekide puhul.

Reaalse maailma rakendused ja mõju veebikogemustele

Võimalus pakkuda veebis skaleeritavat ja ülitäpset valgustust omab sügavat mõju erinevates tööstusharudes, muutes täiustatud 3D-sisu globaalsele publikule kättesaadavamaks ja kaasahaaravamaks:

• Ülitäpsed veebimängud: Klasterdatud varjustamine on kaasaegsete mängumootorite nurgakivi. Selle tehnika toomine WebGL-i võimaldab brauseripõhistel mängudel pakkuda keskkondi sadade dünaamiliste valgusallikatega, parandades oluliselt realismi, atmosfääri ja visuaalset keerukust. Kujutage ette detailset koopauurimismängu arvukate tõrvikute, ulmelist tulistamismängu lugematute laserkiirte või detailset avatud maailma stseeni paljude punktvalgustitega.
• Arhitektuuri- ja tootevisualiseerimine: Valdkondades nagu kinnisvara, autotööstus ja sisekujundus on täpne ja dünaamiline valgustus ülitähtis. Klasterdatud varjustamine võimaldab realistlikke arhitektuurilisi läbikäike tuhandete individuaalsete valgustitega või tootekonfiguraatoreid, kus kasutajad saavad suhelda mudelitega erinevates keerukates valgustingimustes, mis kõik renderdatakse reaalajas brauseris, olles globaalselt kättesaadavad ilma eriprogrammideta.
• Interaktiivne jutuvestmine ja digitaalne kunst: Kunstnikud ja jutuvestjad saavad kasutada täiustatud valgustust, et luua kaasahaaravamaid ja emotsionaalselt kõnetavamaid interaktiivseid narratiive otse veebis. Dünaamiline valgustus võib suunata tähelepanu, tekitada meeleolu ja täiustada üldist kunstilist väljendust, jõudes vaatajateni mis tahes seadmes üle maailma.
• Teaduslik ja andmete visualiseerimine: Keerukad andmekogumid saavad sageli kasu keerukast 3D-visualiseerimisest. Klasterdatud varjustamine võib valgustada keerulisi mudeleid, esile tõsta spetsiifilisi andmepunkte lokaliseeritud tuledega ja pakkuda selgemaid visuaalseid vihjeid füüsika, keemia või astronoomiliste nähtuste simulatsioonides.
• Virtuaalne ja liitreaalsus (XR) veebis: WebXR-standardite arenedes muutub ülioluliseks võime renderdada väga detailseid, hästi valgustatud virtuaalkeskkondi. Klasterdatud varjustamine on oluline veenva ja jõudsa veebipõhise VR/AR kogemuse pakkumisel, võimaldades veenvamaid virtuaalmaailmu, mis reageerivad dünaamiliselt valgusallikatele.
• Juurdepääsetavus ja 3D demokratiseerimine: Optimeerides keerukate stseenide jõudlust, muudab klasterdatud varjustamine tipptasemel 3D-sisu kättesaadavamaks laiemale globaalsele publikule, sõltumata nende seadme töötlemisvõimsusest või interneti ribalaiusest. See demokratiseerib rikkalikke interaktiivseid kogemusi, mis muidu võiksid olla piiratud natiivsete rakendustega. Kasutaja kauges külas vanema nutitelefoniga võiks potentsiaalselt pääseda ligi samale kaasahaaravale kogemusele kui keegi, kellel on tipptasemel lauaarvuti, ületades digitaalse lõhe ülitäpse sisu osas.

WebGL-i valgustuse tulevik: evolutsioon ja sünergia WebGPU-ga

Reaalajas veebigraafika teekond on kaugel lõpust. Klasterdatud varjustamine kujutab endast olulist hüpet, kuid horisondil on veelgi rohkem lubadusi:

• WebGPU transformatiivne mõju: WebGPU tulek on valmis revolutsioneerima veebigraafikat. Selle selgesõnaline API disain, mis on tugevalt inspireeritud kaasaegsetest natiivsetest graafika API-dest nagu Vulkan, Metal ja Direct3D 12, toob arvutusvarjutajad otse veebi. Arvutusvarjutajad on ideaalsed klasterdatud varjustamise valguse eemaldamise faasi jaoks, võimaldades massiivselt paralleelset töötlemist GPU-l. See lihtsustab dramaatiliselt GPU-põhise eemaldamise rakendusi ja avab veelgi suurema tulede arvu ja jõudluse. WebGPU-ga saab eemaldamisetapi CPU kitsaskoha praktiliselt kõrvaldada, nihutades reaalajas valgustuse piire veelgi kaugemale.
• Keerukamad valgustusmudelid: Paremate jõudluse alustega saavad arendajad uurida täiustatud valgustustehnikaid, nagu mahuline valgustus (valguse hajumine läbi udu või tolmu), globaalse valgustuse ligikaudsed meetodid (põrkunud valguse simuleerimine) ja keerukamad varjulahendused (nt kiirjälgitavad varjud spetsiifiliste valgustüüpide jaoks).
• Dünaamilised valgusallikad ja keskkonnad: Tulevased arendused keskenduvad tõenäoliselt klasterdatud varjustamise veelgi robustsemaks muutmisele täiesti dünaamiliste stseenide jaoks, kus geomeetria ja tuled pidevalt muutuvad. See hõlmab valgusruudustiku ja indeksiloendite uuenduste optimeerimist.
• Standardimine ja mootorite integreerimine: Kuna klasterdatud varjustamine muutub tavalisemaks, võime oodata selle natiivset integreerimist populaarsetesse WebGL/WebGPU raamistikkudesse, muutes selle arendajatele lihtsamini kasutatavaks ilma sügavate madala taseme graafikaprogrammeerimise teadmisteta.

Kokkuvõte: valgustades teed edasi veebigraafika jaoks

WebGL-i klasterdatud varjustamine on võimas tunnistus graafikainseneride leidlikkusest ning lakkamatust püüdlusest realismi ja jõudluse poole veebis. Jagades nutikalt renderdustöökoormust ja keskendudes arvutustele ainult seal, kus neid vaja on, väldib see elegantselt traditsioonilisi lõkse keerukate stseenide renderdamisel arvukate tuledega. See tehnika ei ole lihtsalt optimeerimine; see on võimaldaja, mis avab uusi loovuse ja interaktsiooni võimalusi veebipõhistes 3D-rakendustes.

Kuna veebitehnoloogiad arenevad edasi, eriti seoses WebGPU peatse laialdase kasutuselevõtuga, muutuvad sellised tehnikad nagu klasterdatud varjustamine veelgi võimsamaks ja kättesaadavamaks. Arendajatele, kes soovivad luua järgmise põlvkonna kaasahaaravaid veebikogemusi – alates vapustavatest visualiseerimistest kuni köitvate mängudeni – ei ole klasterdatud varjustamise mõistmine ja rakendamine enam pelgalt valikuvõimalus, vaid elutähtis oskus edasise tee valgustamiseks. Võtke see võimas tehnika omaks ja vaadake, kuidas teie keerukad veebistseenid elustuvad dünaamilise, skaleeritava ja hingematvalt realistliku valgustusega.