WebGL Clustered Deferred Lighting: Napredno upravljanje osvjetljenjem

U području 3D grafike u stvarnom vremenu, osvjetljenje igra ključnu ulogu u stvaranju realističnih i vizualno privlačnih scena. Dok tradicionalni pristupi prijenosnog renderiranja mogu postati računski zahtjevni s velikim brojem izvora svjetlosti, odgođeno renderiranje nudi uvjerljivu alternativu. Klasterizirano odgođeno osvjetljenje ide korak dalje, pružajući učinkovito i skalabilno rješenje za upravljanje složenim scenarijima osvjetljenja u WebGL aplikacijama.

Razumijevanje odgođenog renderiranja

Prije nego što zaronimo u klasterizirano odgođeno osvjetljenje, ključno je razumjeti osnovna načela odgođenog renderiranja. Za razliku od prijenosnog renderiranja, koje izračunava osvjetljenje za svaki fragment (piksel) kako se rasterizira, odgođeno renderiranje odvaja prolaze geometrije i osvjetljenja. Evo pregleda:

1. Prolaz geometrije (Stvaranje G-buffera): U prvom prolazu, geometrija scene renderira se u više ciljeva renderiranja, kolektivno poznatih kao G-buffer. Ovaj buffer obično pohranjuje informacije kao što su:
   • Dubina: Udaljenost od kamere do površine.
   • Normale: Orijentacija površine.
   • Albedo: Osnovna boja površine.
   • Spekularnost: Spekularna boja i intenzitet odsjaja.
2. Prolaz osvjetljenja: U drugom prolazu, G-buffer se koristi za izračunavanje doprinosa osvjetljenja za svaki piksel. Ovo nam omogućuje odgađanje skupih izračuna osvjetljenja dok ne dobijemo sve potrebne informacije o površini.

Odgođeno renderiranje nudi nekoliko prednosti:

• Smanjeno preklapanje (overdraw): Izračuni osvjetljenja izvode se samo jednom po pikselu, bez obzira na broj izvora svjetlosti koji ga pogađaju.
• Pojednostavljeni izračuni osvjetljenja: Sve potrebne informacije o površini lako su dostupne u G-bufferu, pojednostavljujući jednadžbe osvjetljenja.
• Odvojena geometrija i osvjetljenje: Ovo omogućuje fleksibilnije i modularnije pipelineove renderiranja.

Međutim, standardno odgođeno renderiranje i dalje može naići na probleme pri radu s vrlo velikim brojem izvora svjetlosti. Tu na scenu stupa klasterizirano odgođeno osvjetljenje.

Uvođenje klasteriziranog odgođenog osvjetljenja

Klasterizirano odgođeno osvjetljenje je tehnika optimizacije koja ima za cilj poboljšati performanse odgođenog renderiranja, posebno u scenama s brojnim izvorima svjetlosti. Temeljna ideja je podijeliti vidni volumen (view frustum) u mrežu 3D klastera i dodijeliti svjetla tim klasterima na temelju njihove prostorne lokacije. Ovo nam omogućuje učinkovito određivanje koje svjetlosti utječu na koje piksele tijekom prolaza osvjetljenja.

Kako funkcionira klasterizirano odgođeno osvjetljenje

1. Podjela vidnog volumena: Vidni volumen dijeli se u 3D mrežu klastera. Dimenzije ove mreže (npr. 16x9x16) određuju granularnost klasterizacije.
2. Dodjeljivanje svjetala: Svaki izvor svjetlosti dodjeljuje se klasterima koje presijeca. To se može učiniti provjerom bounding volume svjetla protiv granica klastera.
3. Stvaranje liste svjetala klastera: Za svaki klaster stvara se popis svjetala koja na njega utječu. Ovaj popis može se pohraniti u buffer ili teksturu.
4. Prolaz osvjetljenja: Tijekom prolaza osvjetljenja, za svaki piksel određujemo kojem klasteru pripada, a zatim prolazimo kroz svjetla na popisu svjetala tog klastera. Ovo značajno smanjuje broj svjetala koja je potrebno razmotriti za svaki piksel.

Prednosti klasteriziranog odgođenog osvjetljenja

• Poboljšane performanse: Smanjenjem broja svjetala koja se razmatraju po pikselu, klasterizirano odgođeno osvjetljenje može značajno poboljšati performanse renderiranja, posebno u scenama s velikim brojem izvora svjetlosti.
• Skalabilnost: Dobitak u performansama postaje izraženiji s povećanjem broja izvora svjetlosti, što ga čini skalabilnim rješenjem za složene scenarije osvjetljenja.
• Smanjeno preklapanje (overdraw): Slično kao i kod standardnog odgođenog renderiranja, klasterizirano odgođeno osvjetljenje smanjuje preklapanje izvodeći izračune osvjetljenja samo jednom po pikselu.

Implementacija klasteriziranog odgođenog osvjetljenja u WebGL-u

Implementacija klasteriziranog odgođenog osvjetljenja u WebGL-u uključuje nekoliko koraka. Evo općeg pregleda procesa:

1. Stvaranje G-buffera: Stvorite G-buffer teksture za pohranjivanje potrebnih informacija o površini (dubina, normale, albedo, spekularnost). Ovo obično uključuje korištenje više ciljeva renderiranja (MRT).
2. Generiranje klastera: Definirajte mrežu klastera i izračunajte granice klastera. Ovo se može učiniti u JavaScriptu ili izravno u shaderu.
3. Dodjeljivanje svjetala (sa strane CPU-a): Prođite kroz izvore svjetlosti i dodijelite ih odgovarajućim klasterima. Ovo se obično radi na CPU-u jer se mora izračunati samo kada se svjetla pomiču ili mijenjaju. Razmislite o korištenju strukture za prostorno ubrzanje (npr. hijerarhija bounding volume ili mreža) za ubrzanje procesa dodjeljivanja svjetala, posebno s velikim brojem svjetala.
4. Stvaranje liste svjetala klastera (sa strane GPU-a): Stvorite buffer ili teksturu za pohranjivanje popisa svjetala za svaki klaster. Prenesite indekse svjetala dodijeljene svakom klasteru s CPU-a na GPU. Ovo se može postići pomoću texture buffer object (TBO) ili storage buffer object (SBO), ovisno o WebGL verziji i dostupnim proširenjima.
5. Prolaz osvjetljenja (sa strane GPU-a): Implementirajte shader za prolaz osvjetljenja koji čita iz G-buffera, određuje klaster za svaki piksel i prolazi kroz svjetla na popisu svjetala klastera kako bi izračunao konačnu boju.

Primjeri koda (GLSL)

Evo nekoliko isječaka koda koji ilustriraju ključne dijelove implementacije. Napomena: ovo su pojednostavljeni primjeri i možda će zahtijevati prilagodbe na temelju vaših specifičnih potreba.

Fragment shader za 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); // Primjer spekularne boje i sjaja
}

Fragment shader za prolaz osvjetljenja

#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;
uniform mat4 uInverseViewMatrix; // Dodano za transformaciju u view space

#define MAX_LIGHTS 256 // Primjer, mora biti definirano i konzistentno

// Funkcija za rekonstrukciju svjetske pozicije iz dubine i koordinata zaslona
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;
}

// Funkcija za izračunavanje indeksa klastera na temelju svjetske pozicije
int calculateClusterIndex(vec3 worldPosition) {
    // Transformacija svjetske pozicije u view space
    vec4 viewSpacePosition = uInverseViewMatrix * vec4(worldPosition, 1.0);

    // Izračunavanje normaliziranih koordinata uređaja (NDC)
    vec3 ndcPosition = viewSpacePosition.xyz / viewSpacePosition.w; // Perspektivna podjela

    // Transformacija u raspon [0, 1]
    vec3 normalizedPosition = ndcPosition * 0.5 + 0.5;

    // Ograničavanje kako bi se izbjeglo prekomjerno pristupanje izvan granica
    normalizedPosition = clamp(normalizedPosition, vec3(0.0), vec3(1.0));

    // Izračunavanje indeksa klastera
    int clusterX = int(normalizedPosition.x * float(uClusterGridSizeX));
    int clusterY = int(normalizedPosition.y * float(uClusterGridSizeY));
    int clusterZ = int(normalizedPosition.z * float(uClusterGridSizeZ));

    // Izračunavanje 1D indeksa
    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; // pojednostavljeni intenzitet spekularnosti


  // Rekonstrukcija svjetske pozicije iz dubine
  vec3 worldPosition = reconstructWorldPosition(depth, vTexCoord);

  // Izračunavanje indeksa klastera
  int clusterIndex = calculateClusterIndex(worldPosition);

  // Određivanje početnih i završnih indeksa popisa svjetala za ovaj klaster
    int lightListOffset = clusterIndex * 2; // Pretpostavljajući da svaki klaster pohranjuje početni i završni indeks
    int startLightIndex = int(texelFetch(uLightListBuffer, lightListOffset).r * float(MAX_LIGHTS)); // Normaliziranje indeksa svjetala na [0, MAX_LIGHTS]
    int numLightsInCluster = int(texelFetch(uLightListBuffer, lightListOffset + 1).r * float(MAX_LIGHTS));


  // Akumuliranje doprinosa osvjetljenja
  vec3 finalColor = vec3(0.0);
  for (int i = 0; i < numLightsInCluster; ++i) {
        int lightIndex = startLightIndex + i;
        if (lightIndex >= MAX_LIGHTS) break; // Sigurnosna provjera za sprječavanje pristupa izvan granica

        vec3 lightPosition = uLightPositions[lightIndex];
        vec3 lightColor = uLightColors[lightIndex];

        vec3 lightDirection = normalize(lightPosition - worldPosition);
        float distanceToLight = length(lightPosition - worldPosition);

        // Jednostavno difuzno osvjetljenje
        float diffuseIntensity = max(dot(normal, lightDirection), 0.0);
        vec3 diffuse = diffuseIntensity * lightColor * albedo;

        // Jednostavno spekularno osvjetljenje
        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); // Jednostavno prigušivanje


        finalColor += (diffuse + specular) * attenuation;
  }

  outColor = vec4(finalColor, 1.0);
}

Važna razmatranja

• Veličina klastera: Izbor veličine klastera je ključan. Manji klasteri pružaju bolje isključivanje (culling) ali povećavaju broj klastera i režiju upravljanja popisima svjetala klastera. Veći klasteri smanjuju režiju ali mogu rezultirati razmatranjem više svjetala po pikselu. Eksperimentiranje je ključno za pronalaženje optimalne veličine klastera za vašu scenu.
• Optimizacija dodjeljivanja svjetala: Optimiziranje procesa dodjeljivanja svjetala je ključno za performanse. Korištenje prostornih podataka (npr. hijerarhija bounding volume ili mreža) može značajno ubrzati proces pronalaženja klastera koje svjetlo presijeca.
• Propusnost memorije: Budite svjesni propusnosti memorije prilikom pristupa G-bufferu i popisima svjetala klastera. Korištenje odgovarajućih formata tekstura i tehnika kompresije može pomoći u smanjenju korištenja memorije.
• Ograničenja WebGL-a: Starije verzije WebGL-a možda nemaju određene značajke (poput storage buffer objekata). Razmislite o korištenju proširenja ili alternativnih pristupa za pohranjivanje popisa svjetala. Provjerite je li vaša implementacija kompatibilna s ciljanom WebGL verzijom.
• Performanse na mobilnim uređajima: Klasterizirano odgođeno osvjetljenje može biti računski intenzivno, posebno na mobilnim uređajima. Pažljivo profilirajte svoj kod i optimizirajte za performanse. Razmislite o korištenju nižih rezolucija ili pojednostavljenih modela osvjetljenja na mobilnim uređajima.

Tehnike optimizacije

Nekoliko tehnika se može koristiti za daljnju optimizaciju klasteriziranog odgođenog osvjetljenja u WebGL-u:

• Isključivanje volumena (Frustum Culling): Prije dodjeljivanja svjetala klasterima, provedite isključivanje volumena kako biste odbacili svjetla koja su potpuno izvan vidnog volumena.
• Isključivanje stražnjih strana (Backface Culling): Isključite stražnje trokute tijekom prolaza geometrije kako biste smanjili količinu podataka upisanih u G-buffer.
• Razina detalja (LOD): Koristite različite razine detalja za svoje modele na temelju njihove udaljenosti od kamere. Ovo može značajno smanjiti količinu geometrije koju je potrebno renderirati.
• Kompresija tekstura: Koristite tehnike kompresije tekstura (npr. ASTC) kako biste smanjili veličinu svojih tekstura i poboljšali propusnost memorije.
• Optimizacija shadera: Optimizirajte svoj shader kod kako biste smanjili broj instrukcija i poboljšali performanse. Ovo uključuje tehnike poput proširenja petlje, zakazivanja instrukcija i minimiziranja grananja.
• Prethodno izračunato osvjetljenje: Razmislite o korištenju tehnika prethodno izračunatog osvjetljenja (npr. lightmaps ili spherical harmonics) za statične objekte kako biste smanjili izračune osvjetljenja u stvarnom vremenu.
• Hardversko instanciranje: Ako imate više instanci istog objekta, koristite hardversko instanciranje za njihovo učinkovitije renderiranje.

Alternative i kompromisi

Iako klasterizirano odgođeno osvjetljenje nudi značajne prednosti, bitno je razmotriti alternative i njihove povezane kompromise:

• Prijenosno renderiranje (Forward Rendering): Iako manje učinkovito s mnogo svjetala, prijenosno renderiranje može biti jednostavnije za implementaciju i prikladno za scene s ograničenim brojem izvora svjetlosti. Također omogućuje lakši rad s prozirnošću.
• Forward+ Rendering: Forward+ renderiranje je alternativa odgođenom renderiranju koje koristi compute shadere za izvođenje isključivanja svjetala prije prijenosnog prolaza renderiranja. Ovo može ponuditi slične prednosti u performansama kao klasterizirano odgođeno osvjetljenje. Može biti složenije za implementaciju i zahtijevati specifične hardverske značajke.
• Tiled Deferred Lighting: Tiled deferred lighting dijeli zaslon na 2D pločice umjesto na 3D klastere. Ovo može biti jednostavnije za implementaciju nego klasterizirano odgođeno osvjetljenje, ali može biti manje učinkovito za scene sa značajnim varijacijama dubine.

Izbor tehnike renderiranja ovisi o specifičnim zahtjevima vaše aplikacije. Prilikom donošenja odluke uzmite u obzir broj izvora svjetlosti, složenost scene i ciljni hardver.

Zaključak

WebGL klasterizirano odgođeno osvjetljenje moćna je tehnika za upravljanje složenim scenarijima osvjetljenja u web-baziranim grafičkim aplikacijama. Učinkovitim isključivanjem svjetala i smanjenjem preklapanja, može značajno poboljšati performanse renderiranja i skalabilnost. Iako implementacija može biti složena, prednosti u smislu performansi i vizualne kvalitete čine je vrijednim pothvatom za zahtjevne aplikacije poput igara, simulacija i vizualizacija. Ključno je pažljivo razmotriti veličinu klastera, optimizaciju dodjeljivanja svjetala i propusnost memorije kako bi se postigli optimalni rezultati.

Kako se WebGL nastavlja razvijati i hardverske mogućnosti poboljšavaju, klasterizirano odgođeno osvjetljenje vjerojatno će postati sve važniji alat za razvojne programere koji žele stvoriti vizualno zadivljujuća i učinkovita 3D iskustva temeljena na webu.

Dodatni resursi

• WebGL specifikacija: https://www.khronos.org/webgl/
• OpenGL Insights: Knjiga s poglavljima o naprednim tehnikama renderiranja, uključujući odgođeno renderiranje i klasterizirano sjenčanje.
• Znanstveni radovi: Pretražite akademske radove o klasteriziranom odgođenom osvjetljenju i povezanim temama na Google Scholaru ili sličnim bazama podataka.