WebGL Klaszterezett Halasztott Világítás: Fejlett Megvilágításkezelés

A valós idejű 3D grafika területén a világítás kulcsszerepet játszik a realisztikus és vizuálisan vonzó jelenetek létrehozásában. Míg a hagyományos előre renderelési megközelítések számítási szempontból költségessé válhatnak nagyszámú fényforrás esetén, a halasztott renderelés vonzó alternatívát kínál. A klaszterezett halasztott világítás ezt egy lépéssel tovább viszi, hatékony és skálázható megoldást nyújtva komplex világítási forgatókönyvek kezelésére WebGL alkalmazásokban.

A halasztott renderelés megértése

Mielőtt belemerülnénk a klaszterezett halasztott világításba, elengedhetetlen a halasztott renderelés alapelveinek megértése. Az előre rendereléssel ellentétben, amely minden fragment (pixel) világítását kiszámítja annak raszterezésekor, a halasztott renderelés szétválasztja a geometriai és világítási lépéseket. Íme egy áttekintés:

1. Geometriai lépés (G-buffer létrehozás): Az első lépésben a jelenet geometriája több renderelési célba kerül renderelésre, amelyeket együttesen G-buffernek nevezünk. Ez a puffer általában a következő információkat tárolja:
   • Mélység: A kamera és a felület közötti távolság.
   • Normálisok: Felületorientáció.
   • Albedo: A felület alapszíne.
   • Fényesség (speculáris): Fényesség csúcsfény színe és intenzitása.
2. Világítási lépés: A második lépésben a G-buffer segítségével számítják ki a világítási hozzájárulást minden pixelhez. Ez lehetővé teszi, hogy a költséges világítási számításokat addig halasszuk, amíg az összes szükséges felületi információ rendelkezésünkre nem áll.

A halasztott renderelés számos előnnyel jár:

• Csökkentett újrarajzolás (Overdraw): A világítási számítások csak egyszer történnek pixelenként, függetlenül attól, hogy hány fényforrás befolyásolja azt.
• Egyszerűsített világítási számítások: Az összes szükséges felületi információ könnyen elérhető a G-bufferben, egyszerűsítve a világítási egyenleteket.
• Szétválasztott geometria és világítás: Ez rugalmasabb és modulárisabb renderelési pipeline-okat tesz lehetővé.

Azonban a standard halasztott renderelés továbbra is kihívásokkal szembesülhet, amikor nagyon nagyszámú fényforrással dolgozik. Itt lép színre a klaszterezett halasztott világítás.

A klaszterezett halasztott világítás bemutatása

A klaszterezett halasztott világítás egy optimalizálási technika, amelynek célja a halasztott renderelés teljesítményének javítása, különösen sok fényforrást tartalmazó jelenetekben. Az alapötlet a nézeti csonka (view frustum) felosztása 3D klaszterek rácsára, és a fények hozzárendelése ezekhez a klaszterekhez térbeli elhelyezkedésük alapján. Ez lehetővé teszi, hogy hatékonyan meghatározzuk, mely fények befolyásolják mely pixeleket a világítási lépés során.

Hogyan működik a klaszterezett halasztott világítás

1. Nézeti csonka felosztása: A nézeti csonka 3D klaszterek rácsára oszlik. Ennek a rácsnak a dimenziói (pl. 16x9x16) határozzák meg a klaszterezés szemcsésségét.
2. Fény hozzárendelése: Minden fényforrás ahhoz a klaszterhez van hozzárendelve, amelyet metsz. Ez a fény határoló térfogatának ellenőrzésével történhet a klaszterhatárokkal szemben.
3. Klaszter fénylista létrehozása: Minden klaszterhez létrejön a rá ható fények listája. Ez a lista tárolható pufferben vagy textúrában.
4. Világítási lépés: A világítási lépés során minden pixelhez meghatározzuk, hogy melyik klaszterhez tartozik, majd végigiterálunk az adott klaszter fénylistájában lévő fényeken. Ez jelentősen csökkenti a pixelhez figyelembe veendő fények számát.

A klaszterezett halasztott világítás előnyei

• Javított teljesítmény: Az egy pixelre jutó fények számának csökkentésével a klaszterezett halasztott világítás jelentősen javíthatja a renderelési teljesítményt, különösen nagyszámú fényforrást tartalmazó jelenetekben.
• Skálázhatóság: A teljesítménynövekedés annál hangsúlyosabbá válik, minél több fényforrás van, így skálázható megoldást nyújt komplex világítási forgatókönyvekhez.
• Csökkentett újrarajzolás (Overdraw): A standard halasztott rendereléshez hasonlóan a klaszterezett halasztott világítás csökkenti az újrarajzolást azáltal, hogy a világítási számításokat csak egyszer végzi el pixelenként.

Klaszterezett halasztott világítás megvalósítása WebGL-ben

A klaszterezett halasztott világítás megvalósítása WebGL-ben több lépésből áll. Íme egy magas szintű áttekintés a folyamatról:

1. G-Buffer létrehozás: Hozza létre a G-buffer textúrákat a szükséges felületi információk (mélység, normálisok, albedo, fényesség) tárolására. Ez általában több renderelési cél (MRT) használatát foglalja magában.
2. Klasztergenerálás: Határozza meg a klaszterrácsot és számítsa ki a klaszterhatárokat. Ez megtehető JavaScriptben vagy közvetlenül a shaderben.
3. Fény hozzárendelése (CPU oldalon): Iteráljon a fényforrásokon, és rendelje hozzá őket a megfelelő klaszterekhez. Ezt általában a CPU végzi, mivel csak akkor kell kiszámítani, ha a fények mozognak vagy változnak. Fontolja meg térbeli gyorsítási struktúra (pl. határoló térfogat hierarchia vagy rács) használatát a fény hozzárendelési folyamat felgyorsítására, különösen nagyszámú fény esetén.
4. Klaszter fénylista létrehozása (GPU oldalon): Hozzon létre egy puffert vagy textúrát az egyes klaszterek fénylistáinak tárolására. Vigye át a CPU-ról a GPU-ra az egyes klaszterekhez rendelt fényindexeket. Ez elérhető textúra puffer objektum (TBO) vagy tároló puffer objektum (SBO) segítségével, a WebGL verziójától és az elérhető kiterjesztésektől függően.
5. Világítási lépés (GPU oldalon): Valósítsa meg a világítási lépés shadert, amely beolvassa a G-bufferből, meghatározza az egyes pixelek klaszterét, majd iterál az adott klaszter fénylistájában lévő fényeken a végső szín kiszámításához.

Kódrészletek (GLSL)

Íme néhány kódrészlet, amelyek a megvalósítás kulcsfontosságú részeit illusztrálják. Megjegyzés: ezek egyszerűsített példák, és az Ön egyedi igényei alapján módosításokat igényelhetnek.

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
}

Világítási lépés 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);
}

Fontos megfontolások

• Klaszter mérete: A klaszter méretének kiválasztása kulcsfontosságú. A kisebb klaszterek jobb cullingot biztosítanak, de növelik a klaszterek számát és a klaszter fénylistáinak kezelési terhét. A nagyobb klaszterek csökkentik a terhelést, de több fényforrást eredményezhetnek pixelenként. A kísérletezés kulcsfontosságú az optimális klaszterméret megtalálásához a jelenetéhez.
• Fény hozzárendelési optimalizálás: A fény hozzárendelési folyamat optimalizálása elengedhetetlen a teljesítményhez. Térbeli adatstruktúrák (pl. határoló térfogat hierarchia vagy rács) használata jelentősen felgyorsíthatja annak megtalálását, hogy egy fény mely klasztereket metszi.
• Memória sávszélesség: Ügyeljen a memória sávszélességre a G-buffer és a klaszter fénylisták elérésekor. A megfelelő textúraformátumok és tömörítési technikák segíthetnek csökkenteni a memóriahasználatot.
• WebGL korlátozások: A régebbi WebGL verziók bizonyos funkciókban (például tároló puffer objektumok) hiányosak lehetnek. Fontolja meg kiterjesztések vagy alternatív megközelítések használatát a fénylisták tárolására. Győződjön meg arról, hogy a megvalósítása kompatibilis a cél WebGL verzióval.
• Mobil teljesítmény: A klaszterezett halasztott világítás számításigényes lehet, különösen mobil eszközökön. Gondosan profilozza a kódját és optimalizálja a teljesítményt. Fontolja meg alacsonyabb felbontások vagy egyszerűsített világítási modellek használatát mobilon.

Optimalizálási technikák

Számos technika alkalmazható a klaszterezett halasztott világítás további optimalizálására WebGL-ben:

• Frustum culling: Mielőtt a fényeket klaszterekhez rendeli, végezzen frustum cullingot a nézeti csonkán kívül eső fények eldobására.
• Hátlap culling: Hátlap cullingot végezzen a geometriai lépés során a G-bufferbe írt adatok mennyiségének csökkentése érdekében.
• Részletességi szint (LOD): Használjon különböző részletességi szinteket a modelljeihez a kamerától való távolságuk alapján. Ez jelentősen csökkentheti a renderelendő geometria mennyiségét.
• Textúratömörítés: Használjon textúratömörítési technikákat (pl. ASTC) a textúrák méretének csökkentésére és a memória sávszélesség javítására.
• Shader optimalizálás: Optimalizálja a shader kódját az utasítások számának csökkentése és a teljesítmény javítása érdekében. Ez magában foglalja az olyan technikákat, mint a hurok kihengerlés (loop unrolling), az utasításütemezés és az elágazások minimalizálása.
• Előre kiszámított világítás: Fontolja meg előre kiszámított világítási technikák (pl. fényképek vagy gömbi harmonikusok) használatát statikus objektumokhoz a valós idejű világítási számítások csökkentésére.
• Hardveres instancing: Ha ugyanazon objektum több példányával rendelkezik, használjon hardveres instancingot a hatékonyabb rendereléshez.

Alternatívák és kompromisszumok

Bár a klaszterezett halasztott világítás jelentős előnyökkel jár, elengedhetetlen figyelembe venni az alternatívákat és a velük járó kompromisszumokat:

• Előre renderelés (Forward Rendering): Bár sok fényforrással kevésbé hatékony, az előre renderelés egyszerűbb lehet megvalósítani, és alkalmas lehet korlátozott számú fényforrással rendelkező jelenetekhez. Emellett könnyebben lehetővé teszi az átlátszóságot.
• Forward+ renderelés: A Forward+ renderelés a halasztott renderelés alternatívája, amely compute shadereket használ a fény culling elvégzésére az előre renderelési lépés előtt. Ez hasonló teljesítményelőnyöket kínálhat, mint a klaszterezett halasztott világítás. Bonyolultabb lehet a megvalósítása, és specifikus hardverfunkciókat igényelhet.
• Csempézett halasztott világítás (Tiled Deferred Lighting): A csempézett halasztott világítás a képernyőt 2D csempékre osztja 3D klaszterek helyett. Ez egyszerűbb lehet megvalósítani, mint a klaszterezett halasztott világítást, de kevésbé hatékony lehet jelentős mélységkülönbséggel rendelkező jeleneteknél.

A renderelési technika kiválasztása az alkalmazás specifikus igényeitől függ. Döntésekor vegye figyelembe a fényforrások számát, a jelenet bonyolultságát és a célhardvert.

Összefoglalás

A WebGL klaszterezett halasztott világítás egy hatékony technika komplex világítási forgatókönyvek kezelésére webes grafikus alkalmazásokban. A fények hatékony cullingjával és az újrarajzolás (overdraw) csökkentésével jelentősen javíthatja a renderelési teljesítményt és skálázhatóságot. Bár a megvalósítás összetett lehet, a teljesítmény és a vizuális minőség terén nyújtott előnyök értékessé teszik az olyan igényes alkalmazások számára, mint a játékok, szimulációk és vizualizációk. A klaszter méretének, a fény hozzárendelés optimalizálásának és a memória sávszélességnek gondos mérlegelése kulcsfontosságú az optimális eredmények eléréséhez.

Ahogy a WebGL folyamatosan fejlődik és a hardver képességek javulnak, a klaszterezett halasztott világítás valószínűleg egyre fontosabb eszközzé válik a fejlesztők számára, akik vizuálisan lenyűgöző és nagy teljesítményű webes 3D élményeket szeretnének létrehozni.

További források

• WebGL specifikáció: https://www.khronos.org/webgl/
• OpenGL Insights: Egy könyv fejezetekkel a fejlett renderelési technikákról, beleértve a halasztott renderelést és a klaszterezett árnyékolást.
• Kutatási cikkek: Keressen tudományos cikkeket a klaszterezett halasztott világításról és kapcsolódó témákról a Google Scholaron vagy hasonló adatbázisokban.