WebGLクラスタ化ディファードライティング：高度なイルミネーション管理

リアルタイム3Dグラフィックスの領域では、ライティングはリアルで視覚的に魅力的なシーンを作成する上で極めて重要な役割を果たします。従来のフォワードレンダリングアプローチは、多数の光源があると計算コストが高くなる可能性がありますが、ディファードレンダリングは魅力的な代替手段を提供します。クラスタ化ディファードライティングは、これをさらに一歩進め、WebGLアプリケーションで複雑なライティングシナリオを管理するための効率的でスケーラブルなソリューションを提供します。

ディファードレンダリングの理解

クラスタ化ディファードライティングに入る前に、ディファードレンダリングのコア原則を理解することが重要です。各フラグメント（ピクセル）がラスタライズされるときにライティングを計算するフォワードレンダリングとは異なり、ディファードレンダリングはジオメトリパスとライティングパスを分離します。以下に内訳を示します。

1. ジオメトリパス（Gバッファの作成）：最初のパスでは、シーンのジオメトリが複数のレンダーターゲットにレンダリングされます。これらはまとめてGバッファと呼ばれます。このバッファには通常、次の情報が格納されます：
   • 深度：カメラから表面までの距離。
   • 法線：表面の向き。
   • アルベド：表面の基本色。
   • スペキュラ：スペキュラハイライトの色と強度。
2. ライティングパス：2番目のパスでは、Gバッファを使用して各ピクセルのライティングの寄与を計算します。これにより、必要なすべての表面情報が得られるまで、コストのかかるライティング計算を延期できます。

ディファードレンダリングにはいくつかの利点があります：

• オーバードローの削減：ライティング計算は、影響を与える光源の数に関係なく、ピクセルごとに1回だけ実行されます。
• 簡略化されたライティング計算：必要なすべての表面情報がGバッファですぐに利用できるため、ライティング方程式が簡略化されます。
• ジオメトリとライティングの分離：これにより、より柔軟でモジュール化されたレンダリングパイプラインが可能になります。

ただし、標準のディファードレンダリングでも、非常に多くの光源を扱う場合に課題に直面する可能性があります。ここで、クラスタ化ディファードライティングが登場します。

クラスタ化ディファードライティングの紹介

クラスタ化ディファードライティングは、特に多数の光源があるシーンで、ディファードレンダリングのパフォーマンスを向上させることを目的とした最適化手法です。コアアイデアは、視錐台を3Dクラスタのグリッドに分割し、空間的な場所に基づいてこれらのクラスタにライトを割り当てることです。これにより、ライティングパス中にどのライトがどのピクセルに影響を与えるかを効率的に判断できます。

クラスタ化ディファードライティングの仕組み

1. 視錐台の細分割：視錐台は、3Dクラスタのグリッドに分割されます。このグリッドの寸法（例：16x9x16）は、クラスタリングの粒度を決定します。
2. ライトの割り当て：各光源は、交差するクラスタに割り当てられます。これは、ライトのバウンディングボリュームをクラスタの境界に対してチェックすることで実行できます。
3. クラスタライトリストの作成：各クラスタについて、影響を与えるライトのリストが作成されます。このリストは、バッファまたはテクスチャに格納できます。
4. ライティングパス：ライティングパス中、ピクセルごとに、どのクラスタに属しているかを判断し、そのクラスタのライトリスト内のライトを反復処理します。これにより、ピクセルごとに考慮する必要があるライトの数が大幅に削減されます。

クラスタ化ディファードライティングの利点

• パフォーマンスの向上：ピクセルごとに考慮されるライトの数を減らすことで、クラスタ化ディファードライティングは、特に多数の光源があるシーンで、レンダリングパフォーマンスを大幅に向上させることができます。
• スケーラビリティ：パフォーマンスの向上は、光源の数が増えるにつれてより顕著になり、複雑なライティングシナリオに対するスケーラブルなソリューションになります。
• オーバードローの削減：標準のディファードレンダリングと同様に、クラスタ化ディファードライティングは、ピクセルごとに1回だけライティング計算を実行することで、オーバードローを削減します。

WebGLでのクラスタ化ディファードライティングの実装

WebGLでクラスタ化ディファードライティングを実装するには、いくつかの手順が必要です。プロセスの上位レベルの概要を以下に示します。

1. Gバッファの作成：必要な表面情報（深度、法線、アルベド、スペキュラ）を格納するためのGバッファテクスチャを作成します。 これには通常、複数のレンダーターゲット（MRT）の使用が含まれます。
2. クラスタの生成：クラスタグリッドを定義し、クラスタ境界を計算します。 これは、JavaScriptまたはシェーダーで直接実行できます。
3. ライトの割り当て（CPU側）：光源を反復処理し、適切なクラスタに割り当てます。 これは通常、ライトが移動または変更されたときにのみ計算する必要があるため、CPUで実行されます。 特に多数のライトがある場合は、空間加速構造（バウンディングボリューム階層やグリッドなど）を使用して、ライトの割り当てプロセスを高速化することを検討してください。
4. クラスタライトリストの作成（GPU側）：各クラスタのライトリストを格納するためのバッファまたはテクスチャを作成します。 CPUからGPUに各クラスタに割り当てられたライトインデックスを転送します。 これは、WebGLのバージョンと利用可能な拡張機能に応じて、テクスチャバッファオブジェクト（TBO）またはストレージバッファオブジェクト（SBO）を使用して実現できます。
5. ライティングパス（GPU側）：Gバッファから読み取り、ピクセルごとにクラスタを決定し、クラスタのライトリスト内のライトを反復処理して最終的な色を計算するライティングパスシェーダーを実装します。

コード例（GLSL）

実装の重要な部分を示すコードスニペットをいくつか示します。 注：これらは簡略化された例であり、特定のニーズに基づいて調整が必要になる場合があります。

Gバッファフラグメントシェーダー

#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
}

ライティングパスフラグメントシェーダー

#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);
}

重要な考慮事項

• クラスタサイズ：クラスタサイズの選択は重要です。クラスタが小さいほどカリングが向上しますが、クラスタの数が増え、クラスタライトリストの管理のオーバーヘッドが増加します。クラスタが大きいほどオーバーヘッドは減少しますが、ピクセルごとに考慮されるライトが増える可能性があります。シーンに最適なクラスタサイズを見つけるには、実験が重要です。
• ライト割り当ての最適化：ライト割り当てプロセスの最適化は、パフォーマンスに不可欠です。空間データ構造（バウンディングボリューム階層やグリッドなど）を使用すると、ライトが交差するクラスタを見つけるプロセスを大幅に高速化できます。
• メモリ帯域幅：Gバッファとクラスタライトリストにアクセスするときは、メモリ帯域幅に注意してください。適切なテクスチャ形式と圧縮技術を使用すると、メモリ使用量を削減できます。
• WebGLの制限事項：古いWebGLバージョンには、特定の機能（ストレージバッファオブジェクトなど）がない場合があります。ライトリストを格納するために、拡張機能または代替アプローチの使用を検討してください。 実装がターゲットWebGLバージョンと互換性があることを確認してください。
• モバイルパフォーマンス：クラスタ化ディファードライティングは、特にモバイルデバイスでは計算負荷が高くなる可能性があります。 コードを注意深くプロファイリングし、パフォーマンスを最適化します。 モバイルでは、より低い解像度または簡略化されたライティングモデルの使用を検討してください。

最適化手法

WebGLでクラスタ化ディファードライティングをさらに最適化するために、いくつかの手法を使用できます。

• 視錐台カリング：ライトをクラスタに割り当てる前に、視錐台の外に完全にあるライトを破棄するために、視錐台カリングを実行します。
• 裏面カリング：ジオメトリパス中に裏面三角形をカリングして、Gバッファに書き込まれるデータ量を削減します。
• 詳細レベル（LOD）：カメラからの距離に基づいて、モデルに異なる詳細レベルを使用します。 これにより、レンダリングする必要があるジオメトリの量を大幅に削減できます。
• テクスチャ圧縮：テクスチャ圧縮技術（ASTCなど）を使用して、テクスチャのサイズを削減し、メモリ帯域幅を向上させます。
• シェーダーの最適化：シェーダーコードを最適化して、命令数を削減し、パフォーマンスを向上させます。 これには、ループアンローリング、命令スケジューリング、分岐の最小化などの手法が含まれます。
• 事前計算されたライティング：静的オブジェクトの事前計算されたライティング技術（ライトマップや球面調和関数など）の使用を検討して、リアルタイムのライティング計算を削減します。
• ハードウェアインスタンス化：同じオブジェクトの複数のインスタンスがある場合は、ハードウェアインスタンス化を使用して、より効率的にレンダリングします。

代替手段とトレードオフ

クラスタ化ディファードライティングは大きな利点を提供しますが、代替手段とそれぞれのトレードオフを検討することが重要です。

• フォワードレンダリング：ライトが多い場合は効率が低下しますが、フォワードレンダリングは実装が簡単で、光源の数が限られているシーンに適している場合があります。 また、透明度をより簡単に実現できます。
• フォワード+レンダリング：フォワード+レンダリングは、ディファードレンダリングの代替手段であり、コンピュートシェーダーを使用してフォワードレンダリングパスの前にライトカリングを実行します。 これにより、クラスタ化ディファードライティングと同様のパフォーマンス上の利点が得られます。 実装がより複雑になる可能性があり、特定のハードウェア機能が必要になる場合があります。
• タイル化ディファードライティング：タイル化ディファードライティングは、画面を3Dクラスタではなく2Dタイルに分割します。 これは、クラスタ化ディファードライティングよりも実装が簡単ですが、奥行きの変動が大きいシーンでは効率が低下する可能性があります。

レンダリング手法の選択は、アプリケーションの特定の要件によって異なります。 光源の数、シーンの複雑さ、および決定を下す際のターゲットハードウェアを検討してください。

結論

WebGLクラスタ化ディファードライティングは、Webベースのグラフィックスアプリケーションで複雑なライティングシナリオを管理するための強力な手法です。 ライトを効率的にカリングし、オーバードローを削減することで、レンダリングパフォーマンスとスケーラビリティを大幅に向上させることができます。 実装は複雑になる可能性がありますが、パフォーマンスと画質の点でメリットがあるため、ゲーム、シミュレーション、視覚化などの要求の厳しいアプリケーションにとっては価値のある取り組みです。 最適な結果を得るには、クラスタサイズ、ライト割り当ての最適化、およびメモリ帯域幅を慎重に検討することが重要です。

WebGLが進化し、ハードウェア機能が向上し続けるにつれて、クラスタ化ディファードライティングは、視覚的に素晴らしくパフォーマンスの高いWebベースの3Dエクスペリエンスを作成しようとする開発者にとって、ますます重要なツールになるでしょう。

参考資料

• WebGL仕様： https://www.khronos.org/webgl/
• OpenGL Insights：ディファードレンダリングやクラスタ化シェーディングなど、高度なレンダリング手法に関する章を含む本。
• 研究論文： Google Scholarなどのデータベースで、クラスタ化ディファードライティングおよび関連トピックに関する学術論文を検索します。