WebGL Clustered Deferred Lighting: Manajemen Iluminasi Tingkat Lanjut

Dalam dunia grafis 3D real-time, pencahayaan memainkan peran penting dalam menciptakan adegan yang realistis dan menarik secara visual. Meskipun pendekatan forward rendering tradisional bisa menjadi mahal secara komputasi dengan jumlah sumber cahaya yang besar, deferred rendering menawarkan alternatif yang menarik. Clustered deferred lighting membawa ini selangkah lebih maju, menyediakan solusi yang efisien dan dapat diskalakan untuk mengelola skenario pencahayaan yang kompleks dalam aplikasi WebGL.

Memahami Deferred Rendering

Sebelum mendalami clustered deferred lighting, sangat penting untuk memahami prinsip inti dari deferred rendering. Tidak seperti forward rendering, yang menghitung pencahayaan untuk setiap fragmen (piksel) saat dirasterisasi, deferred rendering memisahkan pass geometri dan pencahayaan. Berikut rinciannya:

1. Geometry Pass (Pembuatan G-Buffer): Pada pass pertama, geometri adegan dirender ke beberapa target render, yang secara kolektif dikenal sebagai G-buffer. Buffer ini biasanya menyimpan informasi seperti:
   • Kedalaman: Jarak dari kamera ke permukaan.
   • Normal: Orientasi permukaan.
   • Albedo: Warna dasar permukaan.
   • Specular: Warna dan intensitas sorotan specular.
2. Lighting Pass: Pada pass kedua, G-buffer digunakan untuk menghitung kontribusi pencahayaan untuk setiap piksel. Ini memungkinkan kita untuk menunda kalkulasi pencahayaan yang mahal sampai kita memiliki semua informasi permukaan yang diperlukan.

Deferred rendering menawarkan beberapa keuntungan:

• Mengurangi Overdraw: Perhitungan pencahayaan hanya dilakukan sekali per piksel, terlepas dari jumlah sumber cahaya yang memengaruhinya.
• Perhitungan Pencahayaan yang Disederhanakan: Semua informasi permukaan yang diperlukan sudah tersedia di G-buffer, menyederhanakan persamaan pencahayaan.
• Geometri dan Pencahayaan yang Terpisah: Ini memungkinkan pipeline rendering yang lebih fleksibel dan modular.

Namun, deferred rendering standar masih bisa menghadapi tantangan ketika berhadapan dengan jumlah sumber cahaya yang sangat besar. Di sinilah clustered deferred lighting berperan.

Memperkenalkan Clustered Deferred Lighting

Clustered deferred lighting adalah teknik optimisasi yang bertujuan untuk meningkatkan kinerja deferred rendering, terutama dalam adegan dengan banyak sumber cahaya. Ide intinya adalah membagi frustum pandangan menjadi sebuah grid cluster 3D dan menetapkan cahaya ke cluster-cluster ini berdasarkan lokasi spasialnya. Ini memungkinkan kita untuk secara efisien menentukan cahaya mana yang memengaruhi piksel mana selama lighting pass.

Cara Kerja Clustered Deferred Lighting

1. Subdivisi View Frustum: View frustum dibagi menjadi grid cluster 3D. Dimensi grid ini (misalnya, 16x9x16) menentukan granularitas pengelompokan.
2. Penugasan Cahaya: Setiap sumber cahaya ditugaskan ke cluster yang berpotongan dengannya. Ini dapat dilakukan dengan memeriksa volume pembatas cahaya terhadap batas cluster.
3. Pembuatan Daftar Cahaya Cluster: Untuk setiap cluster, dibuat daftar cahaya yang memengaruhinya. Daftar ini dapat disimpan dalam buffer atau tekstur.
4. Lighting Pass: Selama lighting pass, untuk setiap piksel, kita menentukan cluster mana tempatnya berada dan kemudian melakukan iterasi pada cahaya dalam daftar cahaya cluster tersebut. Ini secara signifikan mengurangi jumlah cahaya yang perlu dipertimbangkan untuk setiap piksel.

Manfaat Clustered Deferred Lighting

• Peningkatan Kinerja: Dengan mengurangi jumlah cahaya yang dipertimbangkan per piksel, clustered deferred lighting dapat secara signifikan meningkatkan kinerja rendering, terutama dalam adegan dengan jumlah sumber cahaya yang besar.
• Skalabilitas: Peningkatan kinerja menjadi lebih terasa seiring bertambahnya jumlah sumber cahaya, menjadikannya solusi yang dapat diskalakan untuk skenario pencahayaan yang kompleks.
• Mengurangi Overdraw: Mirip dengan deferred rendering standar, clustered deferred lighting mengurangi overdraw dengan melakukan perhitungan pencahayaan hanya sekali per piksel.

Mengimplementasikan Clustered Deferred Lighting di WebGL

Mengimplementasikan clustered deferred lighting di WebGL melibatkan beberapa langkah. Berikut adalah gambaran tingkat tinggi dari prosesnya:

1. Pembuatan G-Buffer: Buat tekstur G-buffer untuk menyimpan informasi permukaan yang diperlukan (kedalaman, normal, albedo, specular). Ini biasanya melibatkan penggunaan beberapa target render (MRT).
2. Generasi Cluster: Tentukan grid cluster dan hitung batas-batas cluster. Ini dapat dilakukan di JavaScript atau langsung di shader.
3. Penugasan Cahaya (sisi CPU): Lakukan iterasi pada sumber cahaya dan tugaskan ke cluster yang sesuai. Ini biasanya dilakukan di CPU karena hanya perlu dihitung ketika cahaya bergerak atau berubah. Pertimbangkan untuk menggunakan struktur akselerasi spasial (misalnya, bounding volume hierarchy atau grid) untuk mempercepat proses penugasan cahaya, terutama dengan jumlah cahaya yang besar.
4. Pembuatan Daftar Cahaya Cluster (sisi GPU): Buat buffer atau tekstur untuk menyimpan daftar cahaya untuk setiap cluster. Transfer indeks cahaya yang ditugaskan ke setiap cluster dari CPU ke GPU. Ini dapat dicapai menggunakan texture buffer object (TBO) atau storage buffer object (SBO), tergantung pada versi WebGL dan ekstensi yang tersedia.
5. Lighting Pass (sisi GPU): Implementasikan shader lighting pass yang membaca dari G-buffer, menentukan cluster untuk setiap piksel, dan melakukan iterasi pada cahaya dalam daftar cahaya cluster untuk menghitung warna akhir.

Contoh Kode (GLSL)

Berikut adalah beberapa cuplikan kode yang mengilustrasikan bagian-bagian penting dari implementasi. Catatan: ini adalah contoh yang disederhanakan dan mungkin memerlukan penyesuaian berdasarkan kebutuhan spesifik Anda.

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); // Contoh warna specular dan kilap
}

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 //Contoh, perlu didefinisikan dan konsisten

// Fungsi untuk merekonstruksi posisi dunia dari kedalaman dan koordinat layar
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;
}

// Fungsi untuk menghitung indeks cluster berdasarkan posisi dunia
int calculateClusterIndex(vec3 worldPosition) {
    // Transformasi posisi dunia ke ruang pandang
    vec4 viewSpacePosition = uInverseViewMatrix * vec4(worldPosition, 1.0);

    // Hitung koordinat perangkat yang dinormalisasi (NDC)
    vec3 ndcPosition = viewSpacePosition.xyz / viewSpacePosition.w; //Pembagian perspektif

    //Transformasi ke rentang [0, 1]
    vec3 normalizedPosition = ndcPosition * 0.5 + 0.5;

    // Clamp untuk menghindari akses di luar batas
    normalizedPosition = clamp(normalizedPosition, vec3(0.0), vec3(1.0));

    // Hitung indeks cluster
    int clusterX = int(normalizedPosition.x * float(uClusterGridSizeX));
    int clusterY = int(normalizedPosition.y * float(uClusterGridSizeY));
    int clusterZ = int(normalizedPosition.z * float(uClusterGridSizeZ));

    // Hitung indeks 1D
    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; // intensitas specular yang disederhanakan


  // Rekonstruksi posisi dunia dari kedalaman
  vec3 worldPosition = reconstructWorldPosition(depth, vTexCoord);

  // Hitung indeks cluster
  int clusterIndex = calculateClusterIndex(worldPosition);

  // Tentukan indeks awal dan akhir dari daftar cahaya untuk cluster ini
    int lightListOffset = clusterIndex * 2; // Asumsi setiap cluster menyimpan indeks awal dan akhir
    int startLightIndex = int(texelFetch(uLightListBuffer, lightListOffset).r * float(MAX_LIGHTS)); //Normalisasi indeks cahaya ke [0, MAX_LIGHTS]
    int numLightsInCluster = int(texelFetch(uLightListBuffer, lightListOffset + 1).r * float(MAX_LIGHTS));


  // Akumulasi kontribusi pencahayaan
  vec3 finalColor = vec3(0.0);
  for (int i = 0; i < numLightsInCluster; ++i) {
        int lightIndex = startLightIndex + i;
        if (lightIndex >= MAX_LIGHTS) break; // Pemeriksaan keamanan untuk mencegah akses di luar batas

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

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

        //Pencahayaan Difus Sederhana
        float diffuseIntensity = max(dot(normal, lightDirection), 0.0);
        vec3 diffuse = diffuseIntensity * lightColor * albedo;

        //Pencahayaan Specular Sederhana
        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); // Atenuasi sederhana


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

  outColor = vec4(finalColor, 1.0);
}

Pertimbangan Penting

• Ukuran Cluster: Pilihan ukuran cluster sangat penting. Cluster yang lebih kecil memberikan culling yang lebih baik tetapi meningkatkan jumlah cluster dan overhead pengelolaan daftar cahaya cluster. Cluster yang lebih besar mengurangi overhead tetapi mungkin mengakibatkan lebih banyak cahaya dipertimbangkan per piksel. Eksperimen adalah kunci untuk menemukan ukuran cluster yang optimal untuk adegan Anda.
• Optimisasi Penugasan Cahaya: Mengoptimalkan proses penugasan cahaya sangat penting untuk kinerja. Menggunakan struktur data spasial (misalnya, bounding volume hierarchy atau grid) dapat secara signifikan mempercepat proses menemukan cluster mana yang berpotongan dengan suatu cahaya.
• Bandwidth Memori: Perhatikan bandwidth memori saat mengakses G-buffer dan daftar cahaya cluster. Menggunakan format tekstur dan teknik kompresi yang sesuai dapat membantu mengurangi penggunaan memori.
• Batasan WebGL: Versi WebGL yang lebih lama mungkin tidak memiliki fitur tertentu (seperti storage buffer objects). Pertimbangkan untuk menggunakan ekstensi atau pendekatan alternatif untuk menyimpan daftar cahaya. Pastikan implementasi Anda kompatibel dengan versi WebGL target.
• Kinerja Seluler: Clustered deferred lighting bisa jadi intensif secara komputasi, terutama pada perangkat seluler. Profil kode Anda dengan cermat dan optimalkan untuk kinerja. Pertimbangkan untuk menggunakan resolusi lebih rendah atau model pencahayaan yang disederhanakan di perangkat seluler.

Teknik Optimisasi

Beberapa teknik dapat digunakan untuk lebih mengoptimalkan clustered deferred lighting di WebGL:

• Frustum Culling: Sebelum menugaskan cahaya ke cluster, lakukan frustum culling untuk membuang cahaya yang sepenuhnya berada di luar view frustum.
• Backface Culling: Buang segitiga yang menghadap ke belakang selama geometry pass untuk mengurangi jumlah data yang ditulis ke G-buffer.
• Level of Detail (LOD): Gunakan tingkat detail yang berbeda untuk model Anda berdasarkan jaraknya dari kamera. Ini dapat secara signifikan mengurangi jumlah geometri yang perlu dirender.
• Kompresi Tekstur: Gunakan teknik kompresi tekstur (misalnya, ASTC) untuk mengurangi ukuran tekstur Anda dan meningkatkan bandwidth memori.
• Optimisasi Shader: Optimalkan kode shader Anda untuk mengurangi jumlah instruksi dan meningkatkan kinerja. Ini termasuk teknik seperti loop unrolling, penjadwalan instruksi, dan meminimalkan percabangan.
• Pencahayaan Precomputed: Pertimbangkan untuk menggunakan teknik pencahayaan precomputed (misalnya, lightmaps atau spherical harmonics) untuk objek statis guna mengurangi perhitungan pencahayaan real-time.
• Hardware Instancing: Jika Anda memiliki beberapa instance dari objek yang sama, gunakan hardware instancing untuk merendernya dengan lebih efisien.

Alternatif dan Pertimbangan

Meskipun clustered deferred lighting menawarkan keuntungan yang signifikan, penting untuk mempertimbangkan alternatif dan pertimbangannya masing-masing:

• Forward Rendering: Meskipun kurang efisien dengan banyak cahaya, forward rendering bisa lebih sederhana untuk diimplementasikan dan mungkin cocok untuk adegan dengan jumlah sumber cahaya yang terbatas. Ini juga memungkinkan transparansi dengan lebih mudah.
• Forward+ Rendering: Forward+ rendering adalah alternatif untuk deferred rendering yang menggunakan compute shader untuk melakukan light culling sebelum forward rendering pass. Ini dapat menawarkan manfaat kinerja yang serupa dengan clustered deferred lighting. Implementasinya bisa lebih kompleks, dan mungkin memerlukan fitur perangkat keras tertentu.
• Tiled Deferred Lighting: Tiled deferred lighting membagi layar menjadi tile 2D bukan cluster 3D. Ini bisa lebih sederhana untuk diimplementasikan daripada clustered deferred lighting, tetapi mungkin kurang efisien untuk adegan dengan variasi kedalaman yang signifikan.

Pilihan teknik rendering bergantung pada persyaratan spesifik aplikasi Anda. Pertimbangkan jumlah sumber cahaya, kompleksitas adegan, dan perangkat keras target saat membuat keputusan Anda.

Kesimpulan

WebGL clustered deferred lighting adalah teknik yang kuat untuk mengelola skenario pencahayaan yang kompleks dalam aplikasi grafis berbasis web. Dengan secara efisien melakukan culling pada cahaya dan mengurangi overdraw, ini dapat secara signifikan meningkatkan kinerja dan skalabilitas rendering. Meskipun implementasinya bisa kompleks, manfaat dalam hal kinerja dan kualitas visual menjadikannya usaha yang berharga untuk aplikasi yang menuntut seperti game, simulasi, dan visualisasi. Pertimbangan yang cermat terhadap ukuran cluster, optimisasi penugasan cahaya, dan bandwidth memori sangat penting untuk mencapai hasil yang optimal.

Seiring WebGL terus berkembang dan kemampuan perangkat keras meningkat, clustered deferred lighting kemungkinan akan menjadi alat yang semakin penting bagi para pengembang yang ingin menciptakan pengalaman 3D berbasis web yang menakjubkan secara visual dan berkinerja tinggi.

Sumber Daya Lebih Lanjut

• Spesifikasi WebGL: https://www.khronos.org/webgl/
• OpenGL Insights: Sebuah buku dengan bab-bab tentang teknik rendering canggih, termasuk deferred rendering dan clustered shading.
• Jurnal Penelitian: Cari jurnal akademik tentang clustered deferred lighting dan topik terkait di Google Scholar atau basis data serupa.