WebGL क्लस्टर्ड डिफर्ड लाइटिंग: उन्नत रोशनी प्रबंधन

रीयल-टाइम 3डी ग्राफ़िक्स के क्षेत्र में, रोशनी यथार्थवादी और आकर्षक दृश्य बनाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। जबकि पारंपरिक फॉरवर्ड रेंडरिंग दृष्टिकोण बड़ी संख्या में प्रकाश स्रोतों के साथ गणनात्मक रूप से महंगा हो सकता है, डिफर्ड रेंडरिंग एक आकर्षक विकल्प प्रदान करता है। क्लस्टर्ड डिफर्ड लाइटिंग इसे एक कदम आगे ले जाती है, जो WebGL अनुप्रयोगों में जटिल लाइटिंग परिदृश्यों के प्रबंधन के लिए एक कुशल और स्केलेबल समाधान प्रदान करती है।

डिफर्ड रेंडरिंग को समझना

क्लस्टर्ड डिफर्ड लाइटिंग में जाने से पहले, डिफर्ड रेंडरिंग के मूल सिद्धांतों को समझना महत्वपूर्ण है। फॉरवर्ड रेंडरिंग के विपरीत, जो प्रत्येक फ्रैगमेंट (पिक्सेल) के लिए प्रकाश की गणना करता है क्योंकि इसे रास्टराइज़ किया जाता है, डिफर्ड रेंडरिंग ज्यामिति और लाइटिंग पास को अलग करता है। यहाँ एक विवरण दिया गया है:

1. ज्यामिति पास (जी-बफर निर्माण): पहले पास में, दृश्य की ज्यामिति को कई रेंडर लक्ष्यों में प्रस्तुत किया जाता है, जिन्हें सामूहिक रूप से जी-बफर के रूप में जाना जाता है। यह बफर आमतौर पर निम्नलिखित जानकारी संग्रहीत करता है:
   • गहराई: कैमरे से सतह तक की दूरी।
   • नॉर्मल: सतह अभिविन्यास।
   • एल्बिडो: सतह का मूल रंग।
   • स्पेक्युलर: स्पेक्युलर हाइलाइट रंग और तीव्रता।
2. लाइटिंग पास: दूसरे पास में, जी-बफर का उपयोग प्रत्येक पिक्सेल के लिए प्रकाश योगदान की गणना करने के लिए किया जाता है। यह हमें आवश्यक सभी सतह जानकारी प्राप्त होने तक महंगी लाइटिंग गणनाओं को स्थगित करने की अनुमति देता है।

डिफर्ड रेंडरिंग कई फायदे प्रदान करता है:

• कम ओवरड्रॉ: लाइटिंग गणनाएं प्रति पिक्सेल केवल एक बार की जाती हैं, भले ही उसे प्रभावित करने वाले प्रकाश स्रोतों की संख्या कुछ भी हो।
• सरलीकृत लाइटिंग गणनाएं: सभी आवश्यक सतह जानकारी जी-बफर में आसानी से उपलब्ध होती है, जिससे लाइटिंग समीकरण सरल हो जाते हैं।
• असंयुग्मित ज्यामिति और लाइटिंग: यह अधिक लचीली और मॉड्यूलर रेंडरिंग पाइपलाइन की अनुमति देता है।

हालांकि, बड़ी संख्या में प्रकाश स्रोतों से निपटने के दौरान मानक डिफर्ड रेंडरिंग को अभी भी चुनौतियों का सामना करना पड़ सकता है। यहीं पर क्लस्टर्ड डिफर्ड लाइटिंग काम आती है।

क्लस्टर्ड डिफर्ड लाइटिंग का परिचय

क्लस्टर्ड डिफर्ड लाइटिंग एक अनुकूलन तकनीक है जिसका उद्देश्य डिफर्ड रेंडरिंग के प्रदर्शन में सुधार करना है, विशेष रूप से कई प्रकाश स्रोतों वाले दृश्यों में। मुख्य विचार यह है कि दृश्य फ्रस्टम को 3डी क्लस्टर के ग्रिड में विभाजित किया जाए और इन क्लस्टरों को उनके स्थानिक स्थान के आधार पर प्रकाश असाइन किया जाए। यह हमें लाइटिंग पास के दौरान कुशलता से यह निर्धारित करने की अनुमति देता है कि कौन से प्रकाश किस पिक्सेल को प्रभावित करते हैं।

क्लस्टर्ड डिफर्ड लाइटिंग कैसे काम करती है

1. व्यू फ्रस्टम उपखंड: व्यू फ्रस्टम को क्लस्टर के 3डी ग्रिड में विभाजित किया जाता है। इस ग्रिड के आयाम (उदाहरण के लिए, 16x9x16) क्लस्टरिंग की ग्रैन्युलरिटी निर्धारित करते हैं।
2. प्रकाश असाइनमेंट: प्रत्येक प्रकाश स्रोत को उन क्लस्टरों को असाइन किया जाता है जिनसे वह प्रतिच्छेद करता है। यह प्रकाश के बाउंडिंग वॉल्यूम को क्लस्टर सीमाओं के खिलाफ जांच कर किया जा सकता है।
3. क्लस्टर लाइट सूची निर्माण: प्रत्येक क्लस्टर के लिए, उसे प्रभावित करने वाले प्रकाशों की एक सूची बनाई जाती है। इस सूची को एक बफर या बनावट में संग्रहीत किया जा सकता है।
4. लाइटिंग पास: लाइटिंग पास के दौरान, प्रत्येक पिक्सेल के लिए, हम निर्धारित करते हैं कि वह किस क्लस्टर से संबंधित है और फिर उस क्लस्टर की प्रकाश सूची में प्रकाशों पर पुनरावृति करते हैं। यह प्रति पिक्सेल विचार किए जाने वाले प्रकाशों की संख्या को काफी कम कर देता है।

क्लस्टर्ड डिफर्ड लाइटिंग के लाभ

• बेहतर प्रदर्शन: प्रति पिक्सेल विचार किए गए प्रकाशों की संख्या को कम करके, क्लस्टर्ड डिफर्ड लाइटिंग रेंडरिंग प्रदर्शन में काफी सुधार कर सकती है, खासकर बड़ी संख्या में प्रकाश स्रोतों वाले दृश्यों में।
• स्केलेबिलिटी: प्रकाश स्रोतों की संख्या बढ़ने पर प्रदर्शन लाभ अधिक स्पष्ट हो जाते हैं, जिससे यह जटिल लाइटिंग परिदृश्यों के लिए एक स्केलेबल समाधान बन जाता है।
• कम ओवरड्रॉ: मानक डिफर्ड रेंडरिंग के समान, क्लस्टर्ड डिफर्ड लाइटिंग प्रति पिक्सेल केवल एक बार लाइटिंग गणना करके ओवरड्रॉ को कम करती है।

WebGL में क्लस्टर्ड डिफर्ड लाइटिंग को लागू करना

WebGL में क्लस्टर्ड डिफर्ड लाइटिंग को लागू करने में कई चरण शामिल हैं। प्रक्रिया का एक उच्च-स्तरीय अवलोकन यहाँ दिया गया है:

1. जी-बफर निर्माण: आवश्यक सतह जानकारी (गहराई, नॉर्मल, एल्बिडो, स्पेक्युलर) को संग्रहीत करने के लिए जी-बफर बनावट बनाएं। इसमें आमतौर पर कई रेंडर लक्ष्यों (MRT) का उपयोग शामिल होता है।
2. क्लस्टर जनरेशन: क्लस्टर ग्रिड को परिभाषित करें और क्लस्टर सीमाओं की गणना करें। यह जावास्क्रिप्ट में या सीधे शेडर में किया जा सकता है।
3. प्रकाश असाइनमेंट (सीपीयू-साइड): प्रकाश स्रोतों पर पुनरावृति करें और उन्हें उपयुक्त क्लस्टरों को असाइन करें। यह आमतौर पर सीपीयू पर किया जाता है क्योंकि इसे केवल तभी गणना करने की आवश्यकता होती है जब प्रकाश हिलते या बदलते हैं। प्रकाश असाइनमेंट प्रक्रिया को गति देने के लिए एक स्थानिक त्वरण संरचना (जैसे, एक बाउंडिंग वॉल्यूम पदानुक्रम या एक ग्रिड) का उपयोग करने पर विचार करें, विशेष रूप से बड़ी संख्या में प्रकाशों के साथ।
4. क्लस्टर लाइट सूची निर्माण (जीपीयू-साइड): प्रत्येक क्लस्टर के लिए प्रकाश सूचियों को संग्रहीत करने के लिए एक बफर या बनावट बनाएं। प्रत्येक क्लस्टर को सीपीयू से जीपीयू में असाइन किए गए प्रकाश सूचकांकों को स्थानांतरित करें। यह WebGL संस्करण और उपलब्ध एक्सटेंशन के आधार पर एक बनावट बफर ऑब्जेक्ट (TBO) या एक स्टोरेज बफर ऑब्जेक्ट (SBO) का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है।
5. लाइटिंग पास (जीपीयू-साइड): लाइटिंग पास शेडर को लागू करें जो जी-बफर से पढ़ता है, प्रत्येक पिक्सेल के लिए क्लस्टर निर्धारित करता है, और अंतिम रंग की गणना करने के लिए क्लस्टर की प्रकाश सूची में प्रकाशों पर पुनरावृति करता है।

कोड उदाहरण (जीएलएसएल)

यहां कार्यान्वयन के महत्वपूर्ण हिस्सों को दर्शाने वाले कुछ कोड स्निपेट दिए गए हैं। ध्यान दें: ये सरलीकृत उदाहरण हैं और आपकी विशिष्ट आवश्यकताओं के आधार पर समायोजन की आवश्यकता हो सकती है।

G-बफर फ्रैगमेंट शेडर

#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
}

लाइटिंग पास फ्रैगमेंट शेडर

#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);
}

महत्वपूर्ण विचार

• क्लस्टर का आकार: क्लस्टर के आकार का चुनाव महत्वपूर्ण है। छोटे क्लस्टर बेहतर छंटनी प्रदान करते हैं लेकिन क्लस्टरों की संख्या और क्लस्टर प्रकाश सूचियों के प्रबंधन के ओवरहेड को बढ़ाते हैं। बड़े क्लस्टर ओवरहेड को कम करते हैं लेकिन प्रति पिक्सेल अधिक प्रकाशों पर विचार कर सकते हैं। आपके दृश्य के लिए इष्टतम क्लस्टर आकार खोजने के लिए प्रयोग महत्वपूर्ण है।
• प्रकाश असाइनमेंट ऑप्टिमाइजेशन: प्रकाश असाइनमेंट प्रक्रिया को अनुकूलित करना प्रदर्शन के लिए आवश्यक है। स्थानिक डेटा संरचनाओं (जैसे, एक बाउंडिंग वॉल्यूम पदानुक्रम या एक ग्रिड) का उपयोग करने से यह पता लगाने की प्रक्रिया में काफी तेजी आ सकती है कि एक प्रकाश किन क्लस्टरों को प्रतिच्छेद करता है।
• मेमोरी बैंडविड्थ: जी-बफर और क्लस्टर प्रकाश सूचियों तक पहुँचते समय मेमोरी बैंडविड्थ का ध्यान रखें। उचित बनावट प्रारूपों और संपीड़न तकनीकों का उपयोग करने से मेमोरी उपयोग को कम करने में मदद मिल सकती है।
• WebGL सीमाएँ: पुराने WebGL संस्करणों में कुछ सुविधाओं (जैसे स्टोरेज बफर ऑब्जेक्ट्स) की कमी हो सकती है। प्रकाश सूचियों को संग्रहीत करने के लिए एक्सटेंशन या वैकल्पिक दृष्टिकोणों का उपयोग करने पर विचार करें। सुनिश्चित करें कि आपका कार्यान्वयन लक्षित WebGL संस्करण के साथ संगत है।
• मोबाइल प्रदर्शन: क्लस्टर्ड डिफर्ड लाइटिंग गणनात्मक रूप से गहन हो सकती है, विशेष रूप से मोबाइल उपकरणों पर। अपने कोड को सावधानीपूर्वक प्रोफाइल करें और प्रदर्शन के लिए अनुकूलित करें। मोबाइल पर कम रिज़ॉल्यूशन या सरलीकृत लाइटिंग मॉडल का उपयोग करने पर विचार करें।

अनुकूलन तकनीकें

WebGL में क्लस्टर्ड डिफर्ड लाइटिंग को और अनुकूलित करने के लिए कई तकनीकों का उपयोग किया जा सकता है:

• फ्रस्टम कुलिंग: प्रकाशों को क्लस्टरों को असाइन करने से पहले, उन प्रकाशों को छोड़ने के लिए फ्रस्टम कुलिंग करें जो पूरी तरह से व्यू फ्रस्टम के बाहर हैं।
• बैकफेस कुलिंग: जी-बफर में लिखे गए डेटा की मात्रा को कम करने के लिए ज्यामिति पास के दौरान बैकफेसिंग त्रिकोणों को हटाएं।
• विवरण का स्तर (LOD): कैमरे से उनकी दूरी के आधार पर अपने मॉडल के लिए विवरण के विभिन्न स्तरों का उपयोग करें। यह प्रस्तुत की जाने वाली ज्यामिति की मात्रा को काफी कम कर सकता है।
• बनावट संपीड़न: अपनी बनावट के आकार को कम करने और मेमोरी बैंडविड्थ में सुधार के लिए बनावट संपीड़न तकनीकों (जैसे, एएसटीसी) का उपयोग करें।
• शेडर अनुकूलन: निर्देशों की संख्या को कम करने और प्रदर्शन में सुधार के लिए अपने शेडर कोड को अनुकूलित करें। इसमें लूप अनरॉलिंग, इंस्ट्रक्शन शेड्यूलिंग और ब्रांचिंग को कम करना जैसी तकनीकें शामिल हैं।
• पूर्व-गणना की गई लाइटिंग: स्थिर वस्तुओं के लिए रीयल-टाइम लाइटिंग गणनाओं को कम करने के लिए पूर्व-गणना की गई लाइटिंग तकनीकों (जैसे, लाइटमैप्स या गोलाकार हार्मोनिक्स) का उपयोग करने पर विचार करें।
• हार्डवेयर इंस्टेंसिंग: यदि आपके पास एक ही वस्तु के कई इंस्टेंस हैं, तो उन्हें अधिक कुशलता से प्रस्तुत करने के लिए हार्डवेयर इंस्टेंसिंग का उपयोग करें।

विकल्प और व्यापार-बंद (Trade-offs)

जबकि क्लस्टर्ड डिफर्ड लाइटिंग महत्वपूर्ण फायदे प्रदान करती है, वैकल्पिक तकनीकों और उनके संबंधित व्यापार-बंदों पर विचार करना आवश्यक है:

• फॉरवर्ड रेंडरिंग: हालांकि कई प्रकाशों के साथ कम कुशल, फॉरवर्ड रेंडरिंग को लागू करना सरल हो सकता है और सीमित संख्या में प्रकाश स्रोतों वाले दृश्यों के लिए उपयुक्त हो सकता है। यह पारदर्शिता को भी अधिक आसानी से अनुमति देता है।
• फॉरवर्ड+ रेंडरिंग: फॉरवर्ड+ रेंडरिंग डिफर्ड रेंडरिंग का एक विकल्प है जो फॉरवर्ड रेंडरिंग पास से पहले प्रकाश कुलिंग करने के लिए कंप्यूट शेडर का उपयोग करता है। यह क्लस्टर्ड डिफर्ड लाइटिंग के समान प्रदर्शन लाभ प्रदान कर सकता है। इसे लागू करना अधिक जटिल हो सकता है, और इसके लिए विशिष्ट हार्डवेयर सुविधाओं की आवश्यकता हो सकती है।
• टाइल डिफर्ड लाइटिंग: टाइल डिफर्ड लाइटिंग स्क्रीन को 3डी क्लस्टर के बजाय 2डी टाइलों में विभाजित करती है। इसे क्लस्टर्ड डिफर्ड लाइटिंग की तुलना में लागू करना सरल हो सकता है, लेकिन यह महत्वपूर्ण गहराई भिन्नता वाले दृश्यों के लिए कम कुशल हो सकता है।

रेंडरिंग तकनीक का चुनाव आपके एप्लिकेशन की विशिष्ट आवश्यकताओं पर निर्भर करता है। अपना निर्णय लेते समय प्रकाश स्रोतों की संख्या, दृश्य की जटिलता और लक्षित हार्डवेयर पर विचार करें।

निष्कर्ष

WebGL क्लस्टर्ड डिफर्ड लाइटिंग वेब-आधारित ग्राफ़िक्स अनुप्रयोगों में जटिल लाइटिंग परिदृश्यों के प्रबंधन के लिए एक शक्तिशाली तकनीक है। प्रकाशों को कुशलतापूर्वक छांटकर और ओवरड्रॉ को कम करके, यह रेंडरिंग प्रदर्शन और स्केलेबिलिटी में काफी सुधार कर सकता है। हालांकि इसका कार्यान्वयन जटिल हो सकता है, प्रदर्शन और दृश्य गुणवत्ता के संदर्भ में इसके लाभ इसे गेम, सिमुलेशन और विज़ुअलाइज़ेशन जैसे मांग वाले अनुप्रयोगों के लिए एक सार्थक प्रयास बनाते हैं। क्लस्टर के आकार, प्रकाश असाइनमेंट अनुकूलन और मेमोरी बैंडविड्थ पर सावधानीपूर्वक विचार इष्टतम परिणाम प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है।

जैसे-जैसे WebGL विकसित होता रहेगा और हार्डवेयर क्षमताएं बेहतर होंगी, क्लस्टर्ड डिफर्ड लाइटिंग डेवलपर्स के लिए तेजी से महत्वपूर्ण उपकरण बनने की संभावना है जो नेत्रहीन आश्चर्यजनक और उच्च-प्रदर्शन वेब-आधारित 3डी अनुभव बनाना चाहते हैं।

आगे के संसाधन

• WebGL विनिर्देशन: https://www.khronos.org/webgl/
• OpenGL अंतर्दृष्टि: उन्नत रेंडरिंग तकनीकों पर अध्यायों वाली एक पुस्तक, जिसमें डिफर्ड रेंडरिंग और क्लस्टर्ड शेडिंग शामिल है।
• शोध पत्र: गूगल स्कॉलर या इसी तरह के डेटाबेस पर क्लस्टर्ड डिफर्ड लाइटिंग और संबंधित विषयों पर अकादमिक पत्रों की खोज करें।