WebGL クラスター化デファードレンダリング：ライト管理アーキテクチャの徹底解説

クラスター化デファードレンダリング（CDR）は、リアルタイム3Dグラフィックスにおいて多数の光源の扱いを大幅に改善する高度なレンダリング技術です。パフォーマンスが最重要視されるWebGL環境では特に効果的です。本稿では、CDRの複雑さ、特にそのライト管理アーキテクチャ、その利点、そして従来のデファードレンダリングとの比較について探求します。また、堅牢なパフォーマンスとスケーラビリティを確保するために、WebGLでCDRを実装する際の実践的な考慮事項も検証します。

デファードレンダリングの理解

クラスター化デファードレンダリングに飛び込む前に、その前身であるデファードレンダリング（デファードシェーディングとも呼ばれます）を理解することが不可欠です。従来のフォワードレンダリングでは、シーン内のすべてのオブジェクトに対して、フラグメント（ピクセル）ごとにライティングを計算します。これは特に複数のライトがある場合に非常に高コストになり、他のオブジェクトにオクルージョンされる（隠される）可能性のあるピクセルに対しても同じライティング計算が繰り返されるためです。

デファードレンダリングは、ジオメトリ処理とライティング計算を分離することでこの問題に対処します。主に2つのパスで動作します：

• ジオメトリパス（G-Bufferフィル）： シーンをレンダリングしてG-Buffer（ジオメトリバッファ）を作成します。これは以下のような情報を含むテクスチャのセットです：
• 深度
• 法線
• アルベド（カラー）
• スペキュラ
• その他のマテリアルプロパティ

ライティングパス： G-Bufferの情報を使用して、表示されるピクセルごとに一度だけライティング計算が実行されます。これにより、最終的な画像に寄与するピクセルに対してのみ評価されるため、複雑なライティングモデルを効率的に適用できます。

デファードレンダリングは複数のライトがあるシーンで大幅なパフォーマンス向上をもたらしますが、非常に多数の光源がある場合には依然として課題に直面します。すべてのピクセルに対してすべてのライトを反復処理することは、特に多くのライトが限定的な範囲しか持たず、画面のごく一部にしか影響を与えない場合に高コストになります。

クラスター化デファードレンダリングの必要性

従来のデファードレンダリングの主なボトルネックは、ライトの反復処理コストです。各ピクセルに対して、ライティングパスはシーン内のすべてのライトを反復処理する必要がありますが、たとえそのライトの影響が最小限または皆無であっても同様です。ここでクラスター化デファードレンダリングが登場します。

CDRは、ライティングパスを最適化することを目的としています：

• 空間的細分化： ビューフラスタムをクラスターの3Dグリッドに分割します。
• ライトの割り当て： 各ライトを、それが交差するクラスターに割り当てます。
• 最適化されたライト反復： ライティングパス中、現在のピクセルが含まれる特定のクラスターに関連付けられたライトのみが考慮されます。

これにより、各ピクセルで反復処理されるライトの数が大幅に削減され、特に空間的に局在化されたライトが高密度に存在するシーンで効果的です。潜在的に数百または数千のライトを反復処理する代わりに、ライティングパスは比較的小さなサブセットのみを考慮します。

クラスター化デファードレンダリングのアーキテクチャ

CDRの中核は、ライトとクラスターを管理するためのデータ構造とアルゴリズムにあります。以下に主要なコンポーネントの内訳を示します：

1. クラスターグリッドの生成

最初のステップは、ビューフラスタムをクラスターの3Dグリッドに分割することです。このグリッドは通常、カメラのビューに整列され、表示可能なシーン全体に及びます。グリッドの次元（例：16x9x8）はクラスタリングの粒度を決定します。適切な次元を選択することはパフォーマンスにとって非常に重要です：

• クラスターが少なすぎる場合： 各クラスターに多くのライトが割り当てられ、クラスタリングの利点が損なわれます。
• クラスターが多すぎる場合： クラスターグリッドとライト割り当ての管理オーバーヘッドが増加します。

最適なグリッド次元は、ライトの密度やオブジェクトの空間的分布など、シーンの特性に依存します。最適な構成を見つけるためには、しばしば経験的なテストが必要です。モロッコのマラケシュの市場のような、数百のランタンがあるシーンを考えてみてください。各ランタンの光の影響をより正確に分離するために、より密なクラスターグリッドが有益かもしれません。逆に、ナミビアの広大な砂漠のシーンで、遠くにいくつかのキャンプファイヤーがある場合は、より粗いグリッドの方が良いかもしれません。

2. ライトの割り当て

クラスターグリッドが確立されると、次のステップは各ライトをそれが交差するクラスターに割り当てることです。これには、どのクラスターがライトの影響範囲内にあるかを判断することが含まれます。このプロセスはライトの種類によって異なります：

• ポイントライト： ポイントライトの場合、ライトの半径がその影響範囲を定義します。中心がライトの半径内にあるクラスターは、ライトと交差していると見なされます。
• スポットライト： スポットライトには半径と方向の両方があります。交差テストでは、ライトの位置、方向、コーンの角度の両方を考慮する必要があります。
• ディレクショナルライト： 無限遠にあるディレクショナルライトは、技術的にはすべてのクラスターに影響を与えます。しかし、実際には、ライティングパスでの特殊なケースハンドリングを避けるために、これらを別々に扱うか、すべてのクラスターに割り当てることができます。

ライトの割り当てプロセスは、さまざまな技術を使用して実装できます：

• CPU側での計算： CPUで交差テストを実行し、その結果のライト割り当てをGPUにアップロードします。このアプローチは実装が簡単ですが、多数の動的ライトがあるシーンではボトルネックになる可能性があります。
• GPU側での計算： コンピュートシェーダーを活用して、GPU上で直接交差テストを実行します。これにより、特に動的ライトの場合、CPUから計算をオフロードするため、パフォーマンスが大幅に向上します。

WebGLでは、最適なパフォーマンスを達成するために、通常、コンピュートシェーダーを使用したGPU側での計算が好まれますが、ライトインデックスを効率的に格納するにはWebGL 2.0または`EXT_color_buffer_float`拡張機能が必要です。たとえば、ドバイのバーチャルショッピングモール内で高速で移動する動的な光源を想像してみてください。スムーズなフレームレートを維持するためには、GPUでライト割り当てを実行することが不可欠です。

3. ライトリストのデータ構造

ライト割り当てプロセスの結果は、各クラスターに関連付けられたライトのリストを格納するデータ構造です。いくつかのデータ構造オプションが存在し、それぞれにトレードオフがあります：

• ライトの配列： 各クラスターがライトインデックスの配列を格納する単純なアプローチ。実装は簡単ですが、クラスターごとにライトの数が大幅に異なる場合、非効率になる可能性があります。
• リンクリスト： 各クラスターのライトインデックスを格納するためにリンクリストを使用します。これにより動的なサイズ変更が可能になりますが、配列よりもキャッシュフレンドリーでない場合があります。
• オフセットベースのリスト： グローバルな配列にすべてのライトインデックスを格納し、各クラスターがそのクラスターに関連するインデックスの範囲を示すオフセットと長さを格納する、より効率的なアプローチ。これは最も一般的で、通常、最もパフォーマンスの高いアプローチです。

WebGLでは、オフセットベースのリストは通常、以下を使用して実装されます：

• アトミックカウンター： 各クラスターのライトリストのためにグローバル配列にスペースを割り当てるために使用されます。
• シェーダーストレージバッファオブジェクト（SSBO）： ライトインデックスのグローバル配列と各クラスターのオフセット/長さデータを格納するために使用されます。

各ユニットが光源を発する数百のユニットを持つリアルタイムストラテジーゲームを考えてみてください。SSBOを介して管理されるオフセットベースのリストは、これらの多数の動的ライトを効率的に処理するために不可欠です。データ構造の選択は、予想されるシーンの複雑さとWebGL環境の制限に基づいて慎重に検討する必要があります。

4. ライティングパス

ライティングパスは、実際のライティング計算が実行される場所です。各ピクセルに対して、通常、以下のステップが実行されます：

1. クラスターの決定： 現在のピクセルが属するクラスターインデックスを、その画面座標と深度に基づいて計算します。
2. ライトリストへのアクセス： クラスターインデックスを使用して、そのクラスターのライトリストのオフセットと長さにアクセスします。
3. ライトの反復処理： クラスターのライトリスト内のライトを反復処理し、ライティング計算を実行します。
4. ライティングの蓄積： 各ライトの寄与を最終的なピクセルカラーに蓄積します。

このプロセスはフラグメントシェーダーで実行されます。シェーダーコードは、ライティング計算を実行するために、G-Buffer、クラスターグリッドデータ、およびライトリストデータにアクセスする必要があります。効率的なメモリアクセスパターンはパフォーマンスにとって重要です。G-Bufferデータはテクスチャを使用して格納されることが多く、クラスターグリッドとライトリストデータにはSSBOが使用されます。

WebGLでの実装に関する考慮事項

WebGLでCDRを実装するには、最適なパフォーマンスと互換性を確保するために、いくつかの要素を慎重に考慮する必要があります。

1. WebGL 2.0 対 WebGL 1.0

WebGL 2.0は、CDRの実装においてWebGL 1.0よりもいくつかの利点を提供します：

• コンピュートシェーダー： 効率的なGPU側でのライト割り当てを可能にします。
• シェーダーストレージバッファオブジェクト（SSBO）： クラスターグリッドやライトリストなどの大量のデータを格納するための柔軟で効率的な方法を提供します。
• 整数テクスチャ： ライトインデックスの効率的な格納を可能にします。

CDRは`OES_texture_float`や`EXT_frag_depth`などの拡張機能を使用してWebGL 1.0でも実装できますが、コンピュートシェーダーやSSBOがないため、パフォーマンスは一般的に低くなります。WebGL 1.0では、テクスチャを使用してSSBOをシミュレートする必要がある場合があり、これが追加のオーバーヘッドを引き起こす可能性があります。現代のアプリケーションでは、WebGL 2.0をターゲットにすることが強く推奨されます。ただし、幅広い互換性のために、WebGL 1.0用のよりシンプルなレンダリングパスへのフォールバックを提供することが不可欠です。

2. データ転送のオーバーヘッド

CPUとGPU間のデータ転送を最小限に抑えることは、パフォーマンスにとって非常に重要です。可能であれば、毎フレームのデータ転送を避けてください。クラスターグリッドの次元などの静的データは、一度アップロードして再利用できます。ライトの位置などの動的データは、次のような技術を使用して効率的に更新する必要があります：

• Buffer Sub Data： バッファの変更された部分のみを更新します。
• Orphan Buffers： 既存のバッファを変更する代わりに、毎フレーム新しいバッファを作成し、潜在的な同期の問題を回避します。

アプリケーションを注意深くプロファイリングして、データ転送のボトルネックを特定し、それに応じて最適化してください。

3. シェーダーの複雑さ

ライティングシェーダーはできるだけシンプルに保ってください。複雑なライティングモデルはパフォーマンスに大きな影響を与える可能性があります。簡略化されたライティングモデルを使用するか、一部のライティング計算をオフラインで事前計算することを検討してください。シェーダーの複雑さは、WebGLアプリケーションをスムーズに実行するための最小ハードウェア要件に影響します。たとえば、モバイルデバイスは、ハイエンドのデスクトップGPUよりも複雑なシェーダーに対する許容度が低くなります。

4. メモリ管理

WebGLアプリケーションは、ブラウザとオペレーティングシステムによって課せられるメモリ制約を受けます。テクスチャ、バッファ、およびその他のリソースに割り当てられるメモリ量に注意してください。未使用のリソースは速やかに解放し、メモリリークを避け、特にリソースに制約のあるデバイスでアプリケーションがスムーズに実行されるようにしてください。ブラウザのパフォーマンス監視ツールを利用することで、メモリ関連のボトルネックを特定するのに役立ちます。

5. ブラウザの互換性

互換性を確保するために、さまざまなブラウザやプラットフォームでアプリケーションをテストしてください。WebGLの実装はブラウザによって異なる場合があり、一部の機能はすべてのデバイスでサポートされていない場合があります。機能検出を使用して、サポートされていない機能を適切に処理し、必要に応じてフォールバックのレンダリングパスを提供してください。異なるブラウザ（Chrome、Firefox、Safari、Edge）およびオペレーティングシステム（Windows、macOS、Linux、Android、iOS）にわたる堅牢なテストマトリックスは、一貫したユーザーエクスペリエンスを提供するために不可欠です。

クラスター化デファードレンダリングの利点

CDRは、従来のデファードレンダリングやフォワードレンダリングに比べて、特に多数のライトがあるシーンでいくつかの利点を提供します：

• パフォーマンスの向上： 各ピクセルで反復処理されるライトの数を減らすことにより、CDRはパフォーマンスを大幅に向上させることができ、特に局所的なライトが高密度に存在するシーンで効果的です。
• スケーラビリティ： CDRはライトの数に応じてうまくスケールするため、数百、さらには数千の光源を持つシーンに適しています。
• 複雑なライティング： 一般的にデファードレンダリングは、複雑なライティングモデルを効率的に適用することができます。

クラスター化デファードレンダリングの欠点

その利点にもかかわらず、CDRにはいくつかの欠点もあります：

• 複雑さ： CDRは、従来のフォワードレンダリングやデファードレンダリングよりも実装が複雑です。
• メモリオーバーヘッド： CDRは、クラスターグリッドとライトリストのために追加のメモリを必要とします。
• 透明度の処理： CDRを含むデファードレンダリングは、透明度の実装が難しい場合があります。透明なオブジェクトをフォワードレンダリングしたり、順序非依存の透明度（OIT）を使用したりするなど、特別な技術がしばしば必要になります。

クラスター化デファードレンダリングの代替案

CDRは強力な技術ですが、他にもライト管理技術が存在し、それぞれに長所と短所があります：

• Forward+ レンダリング： フォワードレンダリングとコンピュートシェーダーベースのライトカリングステップを組み合わせたハイブリッドアプローチ。CDRよりも実装が簡単な場合がありますが、非常に多数のライトではスケールしない可能性があります。
• タイル化デファードレンダリング： CDRに似ていますが、画面を3Dクラスターではなく2Dタイルに分割します。実装は簡単ですが、深度範囲の広いライトの処理にはあまり効果的ではありません。
• ライトインデックス化デファードレンダリング（LIDR）： ライトグリッドを使用してライト情報を格納し、ライティングパス中に効率的なライト検索を可能にする技術。

レンダリング技術の選択は、ライトの数、ライティングモデルの複雑さ、ターゲットプラットフォームなど、アプリケーションの特定の要件に依存します。

実践例とユースケース

CDRは特に以下のような用途に適しています：

• 動的ライティングを使用するゲーム： リアルタイムストラテジーゲーム、ロールプレイングゲーム、ファーストパーソンシューティングゲームなど、多数の動的ライトを持つゲームは、CDRから大きな恩恵を受けることができます。
• 建築ビジュアライゼーション： 複雑な照明シナリオを持つ建築ビジュアライゼーションは、パフォーマンスを犠牲にすることなくリアルな照明効果を達成するためにCDRを活用できます。
• バーチャルリアリティ（VR）と拡張現実（AR）： VRおよびARアプリケーションは、快適なユーザーエクスペリエンスを維持するために高いフレームレートを必要とすることがよくあります。CDRは、ライティング計算を最適化することでこれを達成するのに役立ちます。
• インタラクティブ3Dプロダクトビューア： 製品のインタラクティブな3Dモデルを表示するeコマースプラットフォームは、CDRを使用して複雑な照明設定を効率的にレンダリングし、より魅力的なユーザーエクスペリエンスを提供できます。

結論

WebGLクラスター化デファードレンダリングは、多数のライトを持つシーンで大幅なパフォーマンス向上をもたらす強力なレンダリング技術です。ビューフラスタムをクラスターに分割し、それらのクラスターにライトを割り当てることにより、CDRは各ピクセルで反復処理されるライトの数を減らし、結果としてレンダリング時間が短縮されます。CDRは従来のフォワードレンダリングやデファードレンダリングよりも実装が複雑ですが、パフォーマンスとスケーラビリティの面での利点は、多くのWebGLアプリケーションにとって価値のある投資となります。最適なパフォーマンスと互換性を確保するために、WebGLのバージョン、データ転送のオーバーヘッド、シェーダーの複雑さなどの実装上の考慮事項を慎重に検討してください。WebGLが進化し続けるにつれて、CDRはウェブブラウザで高品質なリアルタイム3Dグラフィックスを実現するためのますます重要な技術になるでしょう。

さらなる学習リソース

• クラスター化デファードおよびForward+レンダリングに関する研究論文： これらのレンダリング技術の技術的側面を詳述した学術出版物を探求します。
• WebGLのサンプルとデモ： CDRまたはForward+レンダリングを実装しているオープンソースのWebGLプロジェクトを研究します。
• オンラインフォーラムとコミュニティ： 他のグラフィックスプログラマーや開発者と交流し、彼らの経験から学び、質問をします。
• リアルタイムレンダリングに関する書籍： CDRや関連トピックを詳細にカバーしていることが多い、リアルタイムレンダリング技術に関する包括的な教科書を参照します。