WebGL תאורה נדחית מקובצת: ניהול תאורה מתקדם

בתחום גרפיקת התלת מימד בזמן אמת, לתאורה יש תפקיד מרכזי ביצירת סצנות מציאותיות ומושכות חזותית. בעוד שגישות רינדור קדמיות מסורתיות יכולות להיות יקרות מבחינה חישובית עם מספר גדול של מקורות אור, רינדור נדחה מציע אלטרנטיבה משכנעת. תאורה נדחית מקובצת לוקחת את זה צעד אחד קדימה, ומספקת פתרון יעיל ומדרגי לניהול תרחישי תאורה מורכבים באפליקציות WebGL.

הבנת רינדור נדחה

לפני שנצלול לתאורה נדחית מקובצת, חיוני להבין את עקרונות הליבה של רינדור נדחה. שלא כמו רינדור קדמי, שמחשב את התאורה עבור כל פרגמנט (פיקסל) כשהוא מרוסטר, רינדור נדחה מפריד בין מעברי הגיאומטריה והתאורה. הנה פירוט:

1. מעבר גיאומטריה (יצירת G-Buffer): במעבר הראשון, הגיאומטריה של הסצנה מרונדרת למספר יעדי רינדור, המכונים ביחד G-buffer. מאגר זה בדרך כלל מאחסן מידע כגון:
• עומק: מרחק מהמצלמה אל פני השטח.
• נורמלים: כיוון פני השטח.
• אלבדו: צבע הבסיס של פני השטח.
• ספקולרי: צבע ועוצמת הדגשה ספקולרית.
2. מעבר תאורה: במעבר השני, ה-G-buffer משמש לחישוב תרומת התאורה עבור כל פיקסל. זה מאפשר לנו לדחות את חישובי התאורה היקרים עד שיהיה לנו את כל מידע פני השטח הדרוש.

רינדור נדחה מציע מספר יתרונות:

• הפחתת רישום יתר: חישובי תאורה מבוצעים רק פעם אחת לכל פיקסל, ללא קשר למספר מקורות האור המשפיעים עליו.
• חישובי תאורה פשוטים: כל מידע פני השטח הדרוש זמין ב-G-buffer, מה שמפשט את משוואות התאורה.
• גיאומטריה ותאורה מנותקות: זה מאפשר צינורות רינדור גמישים ומודולריים יותר.

עם זאת, רינדור נדחה סטנדרטי עדיין יכול להתמודד עם אתגרים בעת התמודדות עם מספר גדול מאוד של מקורות אור. כאן נכנסת לתמונה תאורה נדחית מקובצת.

מבוא לתאורה נדחית מקובצת

תאורה נדחית מקובצת היא טכניקת אופטימיזציה שמטרתה לשפר את הביצועים של רינדור נדחה, במיוחד בסצנות עם מקורות אור רבים. הרעיון המרכזי הוא לחלק את ה-view frustum לרשת של אשכולות תלת מימדיים ולהקצות אורות לאשכולות אלה בהתבסס על המיקום המרחבי שלהם. זה מאפשר לנו לקבוע ביעילות אילו אורות משפיעים על אילו פיקסלים במהלך מעבר התאורה.

כיצד תאורה נדחית מקובצת עובדת

1. חלוקת View Frustum: ה-view frustum מחולק לרשת תלת מימדית של אשכולות. הממדים של רשת זו (למשל, 16x9x16) קובעים את הגרעיניות של הקיבוץ.
2. הקצאת אור: כל מקור אור מוקצה לאשכולות שהוא מצטלב איתם. ניתן לעשות זאת על ידי בדיקת נפח התוחם של האור מול גבולות האשכול.
3. יצירת רשימת אורות של אשכול: עבור כל אשכול, נוצרת רשימה של האורות שמשפיעים עליו. רשימה זו יכולה להיות מאוחסנת במאגר או במרקם.
4. מעבר תאורה: במהלך מעבר התאורה, עבור כל פיקסל, אנו קובעים לאיזה אשכול הוא שייך ולאחר מכן מבצעים איטרציה על האורות ברשימת האורות של אותו אשכול. זה מצמצם משמעותית את מספר האורות שצריך לקחת בחשבון עבור כל פיקסל.

יתרונות של תאורה נדחית מקובצת

• ביצועים משופרים: על ידי צמצום מספר האורות שנלקחים בחשבון לפיקסל, תאורה נדחית מקובצת יכולה לשפר משמעותית את ביצועי הרינדור, במיוחד בסצנות עם מספר גדול של מקורות אור.
• מדרגיות: רווחי הביצועים הופכים בולטים יותר ככל שמספר מקורות האור גדל, מה שהופך אותו לפתרון מדרגי עבור תרחישי תאורה מורכבים.
• הפחתת רישום יתר: בדומה לרינדור נדחה סטנדרטי, תאורה נדחית מקובצת מצמצמת רישום יתר על ידי ביצוע חישובי תאורה רק פעם אחת לכל פיקסל.

יישום תאורה נדחית מקובצת ב-WebGL

יישום תאורה נדחית מקובצת ב-WebGL כולל מספר שלבים. הנה סקירה כללית של התהליך:

1. יצירת G-Buffer: צור את מרקמי ה-G-buffer כדי לאחסן את מידע פני השטח הדרוש (עומק, נורמלים, אלבדו, ספקולרי). זה בדרך כלל כולל שימוש ביעדי רינדור מרובים (MRT).
2. יצירת אשכולות: הגדר את רשת האשכולות וחשב את גבולות האשכול. ניתן לעשות זאת ב-JavaScript או ישירות ב-shader.
3. הקצאת אור (בצד ה-CPU): בצע איטרציה על מקורות האור והקצה אותם לאשכולות המתאימים. זה נעשה בדרך כלל במעבד מכיוון שצריך לחשב אותו רק כאשר אורות זזים או משתנים. שקול להשתמש במבנה האצת מרחבית (למשל, היררכיית נפח תוחם או רשת) כדי להאיץ את תהליך הקצאת האור, במיוחד עם מספר גדול של אורות.
4. יצירת רשימת אורות של אשכול (בצד ה-GPU): צור מאגר או מרקם כדי לאחסן את רשימות האורות עבור כל אשכול. העבר את אינדקסי האור שהוקצו לכל אשכול מהמעבד ל-GPU. ניתן להשיג זאת באמצעות אובייקט מאגר מרקם (TBO) או אובייקט מאגר אחסון (SBO), בהתאם לגרסת WebGL ולהרחבות הזמינות.
5. מעבר תאורה (בצד ה-GPU): יישם את shader מעבר התאורה שקורא מה-G-buffer, קובע את האשכול עבור כל פיקסל ומבצע איטרציה על האורות ברשימת האורות של האשכול כדי לחשב את הצבע הסופי.

דוגמאות קוד (GLSL)

הנה כמה קטעי קוד הממחישים חלקים מרכזיים ביישום. הערה: אלה דוגמאות פשוטות ועשויות לדרוש התאמות בהתבסס על הצרכים הספציפיים שלך.

G-Buffer Fragment Shader

#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
}

Lighting Pass Fragment Shader

#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);
}

שיקולים חשובים

• גודל אשכול: הבחירה בגודל האשכול היא קריטית. אשכולות קטנים יותר מספקים ניפוי טוב יותר אך מגדילים את מספר האשכולות ואת התקורה של ניהול רשימות האורות של האשכול. אשכולות גדולים יותר מצמצמים את התקורה אך עלולים לגרום ליותר אורות להילקח בחשבון לפיקסל. ניסוי הוא המפתח למציאת גודל האשכול האופטימלי עבור הסצנה שלך.
• אופטימיזציה של הקצאת אור: אופטימיזציה של תהליך הקצאת האור חיונית לביצועים. שימוש במבני נתונים מרחביים (למשל, היררכיית נפח תוחם או רשת) יכול להאיץ משמעותית את תהליך מציאת האשכולות שאור מצטלב איתם.
• רוחב פס זיכרון: שים לב לרוחב פס הזיכרון בעת גישה ל-G-buffer ולרשימות האורות של האשכול. שימוש בפורמטי מרקם מתאימים וטכניקות דחיסה יכולים לעזור לצמצם את השימוש בזיכרון.
• מגבלות WebGL: לגרסאות WebGL ישנות יותר עשויות להיות חסרות תכונות מסוימות (כגון אובייקטי מאגר אחסון). שקול להשתמש בהרחבות או בגישות חלופיות לאחסון רשימות האורות. ודא שהיישום שלך תואם לגרסת WebGL היעד.
• ביצועים בנייד: תאורה נדחית מקובצת יכולה להיות עתירת חישוב, במיוחד במכשירים ניידים. פרופיל בזהירות את הקוד שלך ובצע אופטימיזציה לביצועים. שקול להשתמש ברזולוציות נמוכות יותר או במודלים תאורה פשוטים יותר בנייד.

טכניקות אופטימיזציה

ניתן להשתמש במספר טכניקות כדי לייעל עוד יותר את התאורה הנדחית המקובצת ב-WebGL:

• ניפוי Frustum: לפני הקצאת אורות לאשכולות, בצע ניפוי frustum כדי להשליך אורות שנמצאים לחלוטין מחוץ ל-view frustum.
• ניפוי פנים אחוריות: נפוי משולשים הפונים לאחור במהלך מעבר הגיאומטריה כדי להפחית את כמות הנתונים שנכתבים ל-G-buffer.
• רמת פירוט (LOD): השתמש ברמות פירוט שונות עבור המודלים שלך בהתבסס על המרחק שלהם מהמצלמה. זה יכול לצמצם משמעותית את כמות הגיאומטריה שצריך לרנדר.
• דחיסת מרקם: השתמש בטכניקות דחיסת מרקם (למשל, ASTC) כדי לצמצם את גודל המרקמים שלך ולשפר את רוחב פס הזיכרון.
• אופטימיזציה של Shader: בצע אופטימיזציה של קוד ה-shader שלך כדי להפחית את מספר ההוראות ולשפר את הביצועים. זה כולל טכניקות כגון פריסת לולאות, תזמון הוראות ומזעור הסתעפות.
• תאורה מחושבת מראש: שקול להשתמש בטכניקות תאורה מחושבות מראש (למשל, מפות תאורה או הרמוניות ספריות) עבור אובייקטים סטטיים כדי להפחית את חישובי התאורה בזמן אמת.
• הרצה חומרתית: אם יש לך מופעים מרובים של אותו אובייקט, השתמש בהרצה חומרתית כדי לרנדר אותם ביעילות רבה יותר.

חלופות ופשרות

בעוד שתאורה נדחית מקובצת מציעה יתרונות משמעותיים, חיוני לשקול חלופות ואת הפשרות שלהן:

• רינדור קדמי: בעוד שהוא פחות יעיל עם אורות רבים, רינדור קדמי יכול להיות פשוט יותר ליישום ועשוי להתאים לסצנות עם מספר מוגבל של מקורות אור. זה גם מאפשר שקיפות ביתר קלות.
• רינדור קדמי+: רינדור קדמי+ הוא אלטרנטיבה לרינדור נדחה שמשתמש ב-compute shaders כדי לבצע ניפוי אור לפני מעבר הרינדור הקדמי. זה יכול להציע יתרונות ביצועים דומים לתאורה נדחית מקובצת. זה יכול להיות מורכב יותר ליישום, ועשוי לדרוש תכונות חומרה ספציפיות.
• תאורה נדחית מחולקת למשבצות: תאורה נדחית מחולקת למשבצות מחלקת את המסך למשבצות דו-ממדיות במקום לאשכולות תלת מימדיים. זה יכול להיות פשוט יותר ליישום מתאורה נדחית מקובצת, אך הוא עשוי להיות פחות יעיל עבור סצנות עם וריאציה משמעותית בעומק.

הבחירה בטכניקת הרינדור תלויה בדרישות הספציפיות של היישום שלך. שקול את מספר מקורות האור, את מורכבות הסצנה ואת חומרת היעד בעת קבלת ההחלטה שלך.

מסקנה

תאורה נדחית מקובצת ב-WebGL היא טכניקה רבת עוצמה לניהול תרחישי תאורה מורכבים באפליקציות גרפיקה מבוססות ווב. על ידי ניפוי יעיל של אורות והפחתת רישום יתר, זה יכול לשפר משמעותית את ביצועי הרינדור והמדרגיות. בעוד שהיישום יכול להיות מורכב, היתרונות מבחינת ביצועים ואיכות חזותית הופכים אותו למאמץ משתלם עבור יישומים תובעניים כגון משחקים, סימולציות והדמיות. שיקול דעת זהיר של גודל אשכול, אופטימיזציה של הקצאת אור ורוחב פס זיכרון חיוני להשגת תוצאות אופטימליות.

ככל ש-WebGL ממשיך להתפתח ויכולות החומרה משתפרות, תאורה נדחית מקובצת צפויה להפוך לכלי חשוב יותר ויותר עבור מפתחים המבקשים ליצור חוויות תלת מימד מבוססות ווב מדהימות מבחינה ויזואלית ובעלות ביצועים טובים.

משאבים נוספים

• מפרט WebGL: https://www.khronos.org/webgl/
• OpenGL Insights: ספר עם פרקים על טכניקות רינדור מתקדמות, כולל רינדור נדחה והצללה מקובצת.
• מאמרי מחקר: חפש מאמרים אקדמיים על תאורה נדחית מקובצת ונושאים קשורים ב-Google Scholar או במסדי נתונים דומים.