Éclairage Différé Clusterisé WebGL : Gestion Avancée de l'Illumination

Dans le domaine des graphiques 3D en temps réel, l'éclairage joue un rôle essentiel dans la création de scènes réalistes et visuellement attrayantes. Alors que les approches traditionnelles de rendu direct (forward rendering) peuvent devenir coûteuses en calcul avec un grand nombre de sources lumineuses, le rendu différé (deferred rendering) offre une alternative convaincante. L'éclairage différé clusterisé va encore plus loin, offrant une solution efficace et évolutive pour gérer des scénarios d'éclairage complexes dans les applications WebGL.

Comprendre le Rendu Différé

Avant de plonger dans l'éclairage différé clusterisé, il est crucial de comprendre les principes fondamentaux du rendu différé. Contrairement au rendu direct, qui calcule l'éclairage pour chaque fragment (pixel) au fur et à mesure de sa rastérisation, le rendu différé sépare les passes de géométrie et d'éclairage. Voici un aperçu :

1. Passe de Géométrie (Création du G-Buffer) : Lors de la première passe, la géométrie de la scène est rendue dans plusieurs cibles de rendu, collectivement appelées le G-buffer. Ce tampon stocke généralement des informations telles que :
   • Profondeur : Distance de la caméra à la surface.
   • Normales : Orientation de la surface.
   • Albédo : Couleur de base de la surface.
   • Spéculaire : Couleur et intensité des reflets spéculaires.
2. Passe d'Éclairage : Lors de la seconde passe, le G-buffer est utilisé pour calculer la contribution d'éclairage pour chaque pixel. Cela nous permet de différer les calculs d'éclairage coûteux jusqu'à ce que nous ayons toutes les informations de surface nécessaires.

Le rendu différé offre plusieurs avantages :

• Surdessin Réduit : Les calculs d'éclairage sont effectués une seule fois par pixel, quel que soit le nombre de sources lumineuses l'affectant.
• Calculs d'Éclairage Simplifiés : Toutes les informations de surface nécessaires sont facilement disponibles dans le G-buffer, simplifiant les équations d'éclairage.
• Géométrie et Éclairage Découplés : Cela permet des pipelines de rendu plus flexibles et modulaires.

Cependant, le rendu différé standard peut toujours rencontrer des défis lorsqu'il s'agit d'un très grand nombre de sources lumineuses. C'est là que l'éclairage différé clusterisé entre en jeu.

Introduction à l'Éclairage Différé Clusterisé

L'éclairage différé clusterisé est une technique d'optimisation qui vise à améliorer les performances du rendu différé, en particulier dans les scènes avec de nombreuses sources lumineuses. L'idée principale est de diviser le frustum de visualisation en une grille de clusters 3D et d'attribuer des lumières à ces clusters en fonction de leur emplacement spatial. Cela nous permet de déterminer efficacement quelles lumières affectent quels pixels pendant la passe d'éclairage.

Fonctionnement de l'Éclairage Différé Clusterisé

1. Subdivision du Frustum de Visualisation : Le frustum de visualisation est divisé en une grille 3D de clusters. Les dimensions de cette grille (par exemple, 16x9x16) déterminent la granularité du cluster.
2. Attribution des Lumières : Chaque source lumineuse est attribuée aux clusters qu'elle intersecte. Cela peut être fait en vérifiant le volume englobant de la lumière par rapport aux limites du cluster.
3. Création de la Liste de Lumières par Cluster : Pour chaque cluster, une liste des lumières qui l'affectent est créée. Cette liste peut être stockée dans un tampon ou une texture.
4. Passe d'Éclairage : Pendant la passe d'éclairage, pour chaque pixel, nous déterminons à quel cluster il appartient, puis nous itérons sur les lumières dans la liste de lumières de ce cluster. Cela réduit considérablement le nombre de lumières à considérer pour chaque pixel.

Avantages de l'Éclairage Différé Clusterisé

• Performances Améliorées : En réduisant le nombre de lumières considérées par pixel, l'éclairage différé clusterisé peut améliorer considérablement les performances de rendu, en particulier dans les scènes avec un grand nombre de sources lumineuses.
• Évolutivité : Les gains de performance sont plus prononcés à mesure que le nombre de sources lumineuses augmente, ce qui en fait une solution évolutive pour les scénarios d'éclairage complexes.
• Surdessin Réduit : Similaire au rendu différé standard, l'éclairage différé clusterisé réduit le surdessin en effectuant les calculs d'éclairage une seule fois par pixel.

Implémentation de l'Éclairage Différé Clusterisé dans WebGL

L'implémentation de l'éclairage différé clusterisé dans WebGL implique plusieurs étapes. Voici un aperçu général du processus :

1. Création du G-Buffer : Créez les textures du G-buffer pour stocker les informations de surface nécessaires (profondeur, normales, albédo, spéculaire). Cela implique généralement l'utilisation de plusieurs cibles de rendu (MRT).
2. Génération des Clusters : Définissez la grille de clusters et calculez les limites des clusters. Cela peut être fait en JavaScript ou directement dans le shader.
3. Attribution des Lumières (côté CPU) : Itérez sur les sources lumineuses et attribuez-les aux clusters appropriés. Ceci est généralement effectué sur le CPU car il n'a besoin d'être calculé que lorsque les lumières se déplacent ou changent. Envisagez d'utiliser une structure d'accélération spatiale (par exemple, une hiérarchie de volumes englobants ou une grille) pour accélérer le processus d'attribution des lumières, en particulier avec un grand nombre de lumières.
4. Création de la Liste de Lumières par Cluster (côté GPU) : Créez un tampon ou une texture pour stocker les listes de lumières pour chaque cluster. Transférez les indices de lumière attribués à chaque cluster du CPU vers le GPU. Cela peut être réalisé à l'aide d'un objet tampon de texture (TBO) ou d'un objet tampon de stockage (SBO), selon la version de WebGL et les extensions disponibles.
5. Passe d'Éclairage (côté GPU) : Implémentez le shader de la passe d'éclairage qui lit le G-buffer, détermine le cluster pour chaque pixel et itère sur les lumières dans la liste de lumières du cluster pour calculer la couleur finale.

Exemples de Code (GLSL)

Voici quelques extraits de code illustrant les parties clés de l'implémentation. Remarque : ce sont des exemples simplifiés qui peuvent nécessiter des ajustements en fonction de vos besoins spécifiques.

Shader de Fragment du 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); // Example specular color and shininess
}

Shader de Fragment de la Passe d'Éclairage

#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);
}

Considérations Importantes

• Taille des Clusters : Le choix de la taille des clusters est crucial. Des clusters plus petits offrent un meilleur culling mais augmentent le nombre de clusters et les frais généraux de gestion des listes de lumières des clusters. Des clusters plus grands réduisent les frais généraux mais peuvent entraîner la prise en compte de plus de lumières par pixel. L'expérimentation est la clé pour trouver la taille optimale des clusters pour votre scène.
• Optimisation de l'Attribution des Lumières : L'optimisation du processus d'attribution des lumières est essentielle pour les performances. L'utilisation de structures de données spatiales (par exemple, une hiérarchie de volumes englobants ou une grille) peut accélérer considérablement le processus de recherche des clusters qu'une lumière intersecte.
• Bande Passante Mémoire : Soyez attentif à la bande passante mémoire lors de l'accès au G-buffer et aux listes de lumières des clusters. L'utilisation de formats de texture et de techniques de compression appropriés peut aider à réduire l'utilisation de la mémoire.
• Limitations de WebGL : Les versions plus anciennes de WebGL peuvent manquer de certaines fonctionnalités (comme les objets tampons de stockage). Envisagez d'utiliser des extensions ou des approches alternatives pour stocker les listes de lumières. Assurez-vous que votre implémentation est compatible avec la version cible de WebGL.
• Performances Mobiles : L'éclairage différé clusterisé peut être gourmand en calcul, en particulier sur les appareils mobiles. Profilez soigneusement votre code et optimisez les performances. Envisagez d'utiliser des résolutions inférieures ou des modèles d'éclairage simplifiés sur mobile.

Techniques d'Optimisation

Plusieurs techniques peuvent être utilisées pour optimiser davantage l'éclairage différé clusterisé dans WebGL :

• Culling de Frustum : Avant d'attribuer des lumières aux clusters, effectuez un culling de frustum pour rejeter les lumières qui sont complètement en dehors du frustum de visualisation.
• Culling de Faces Arrière : Rejetez les triangles de face arrière pendant la passe de géométrie pour réduire la quantité de données écrites dans le G-buffer.
• Niveau de Détail (LOD) : Utilisez différents niveaux de détail pour vos modèles en fonction de leur distance par rapport à la caméra. Cela peut réduire considérablement la quantité de géométrie à rendre.
• Compression de Textures : Utilisez des techniques de compression de textures (par exemple, ASTC) pour réduire la taille de vos textures et améliorer la bande passante mémoire.
• Optimisation des Shaders : Optimisez votre code de shader pour réduire le nombre d'instructions et améliorer les performances. Cela inclut des techniques telles que le déroulement de boucle, la planification des instructions et la minimisation des branchements.
• Éclairage Précalculé : Envisagez d'utiliser des techniques d'éclairage précalculé (par exemple, des lightmaps ou des harmoniques sphériques) pour les objets statiques afin de réduire les calculs d'éclairage en temps réel.
• Instanciation Matérielle : Si vous avez plusieurs instances du même objet, utilisez l'instanciation matérielle pour les rendre plus efficacement.

Alternatives et Compromis

Bien que l'éclairage différé clusterisé offre des avantages significatifs, il est essentiel de considérer les alternatives et leurs compromis respectifs :

• Rendu Direct (Forward Rendering) : Bien que moins efficace avec de nombreuses lumières, le rendu direct peut être plus simple à implémenter et peut convenir aux scènes avec un nombre limité de sources lumineuses. Il permet également plus facilement la transparence.
• Rendu Forward+ : Le rendu Forward+ est une alternative au rendu différé qui utilise des shaders de calcul pour effectuer le culling de lumières avant la passe de rendu direct. Cela peut offrir des avantages de performance similaires à l'éclairage différé clusterisé. Son implémentation peut être plus complexe et peut nécessiter des fonctionnalités matérielles spécifiques.
• Éclairage Différé Tuilé (Tiled Deferred Lighting) : L'éclairage différé tuilé divise l'écran en tuiles 2D au lieu de clusters 3D. Cela peut être plus simple à implémenter que l'éclairage différé clusterisé, mais il peut être moins efficace pour les scènes avec une variation de profondeur significative.

Le choix de la technique de rendu dépend des exigences spécifiques de votre application. Tenez compte du nombre de sources lumineuses, de la complexité de la scène et du matériel cible lors de votre décision.

Conclusion

L'éclairage différé clusterisé WebGL est une technique puissante pour gérer des scénarios d'éclairage complexes dans les applications graphiques web. En éliminant efficacement les lumières et en réduisant le surdessin, il peut améliorer considérablement les performances de rendu et l'évolutivité. Bien que l'implémentation puisse être complexe, les avantages en termes de performances et de qualité visuelle en font un effort louable pour les applications exigeantes telles que les jeux, les simulations et les visualisations. Une attention particulière à la taille des clusters, à l'optimisation de l'attribution des lumières et à la bande passante mémoire est cruciale pour obtenir des résultats optimaux.

À mesure que WebGL continue d'évoluer et que les capacités matérielles s'améliorent, l'éclairage différé clusterisé deviendra probablement un outil de plus en plus important pour les développeurs cherchant à créer des expériences 3D web visuellement époustouflantes et performantes.

Ressources Supplémentaires

• Spécification WebGL : https://www.khronos.org/webgl/
• OpenGL Insights : Un livre avec des chapitres sur les techniques de rendu avancées, y compris le rendu différé et l'ombrage clusterisé.
• Articles de Recherche : Recherchez des articles universitaires sur l'éclairage différé clusterisé et les sujets connexes sur Google Scholar ou des bases de données similaires.