WebGL klasterizuotas atidėtasis atvaizdavimas: išsami šviesos valdymo architektūros analizė

Klasterizuotas atidėtasis atvaizdavimas (CDR) yra sudėtinga atvaizdavimo technika, kuri žymiai pagerina daugybės šviesos šaltinių valdymą realaus laiko 3D grafikoje. Ji ypač efektyvi WebGL aplinkose, kur našumas yra svarbiausias. Šiame įraše nagrinėsime CDR subtilybes, daugiausia dėmesio skirdami jo šviesos valdymo architektūrai, privalumams ir palyginimui su tradiciniu atidėtuoju atvaizdavimu. Taip pat išnagrinėsime praktinius CDR diegimo WebGL aplinkoje aspektus, siekiant užtikrinti tvirtą našumą ir mastelį.

Suprantant atidėtąjį atvaizdavimą

Prieš gilinantis į klasterizuotą atidėtąjį atvaizdavimą, būtina suprasti jo pirmtaką – atidėtąjį atvaizdavimą (taip pat žinomą kaip atidėtasis šešėliavimas). Tradicinis tiesioginis atvaizdavimas apskaičiuoja apšvietimą kiekvienam fragmentui (pikseliui) kiekvienam scenos objektui. Tai gali tapti neįtikėtinai brangu, ypač esant keliems šviesos šaltiniams, nes tie patys apšvietimo skaičiavimai kartojami pikseliams, kuriuos gali uždengti kiti objektai.

Atidėtasis atvaizdavimas tai išsprendžia atskirdamas geometrijos apdorojimą nuo apšvietimo skaičiavimų. Jis veikia dviem pagrindiniais etapais:

• Geometrijos etapas (G-buferio užpildymas): Scena atvaizduojama sukuriant G-buferį – tekstūrų rinkinį, kuriame yra tokia informacija kaip:
• Gylis
• Normalės
• Albedas (spalva)
• Atspindys
• Kitos medžiagos savybės
• Apšvietimo etapas: Naudojant G-buferyje esančią informaciją, apšvietimo skaičiavimai atliekami tik vieną kartą kiekvienam matomam pikseliui. Tai leidžia efektyviai taikyti sudėtingus apšvietimo modelius, nes jie vertinami tik tiems pikseliams, kurie prisideda prie galutinio vaizdo.

Nors atidėtasis atvaizdavimas suteikia reikšmingą našumo padidėjimą scenose su keliais šviesos šaltiniais, jis vis dar susiduria su iššūkiais, kai šviesos šaltinių skaičius yra labai didelis. Iteravimas per kiekvieną šviesos šaltinį kiekvienam pikseliui tampa brangus, ypač kai daugelio šviesos šaltinių veikimo nuotolis yra ribotas ir jie veikia tik mažą ekrano dalį.

Klasterizuoto atidėtojo atvaizdavimo poreikis

Pagrindinė tradicinio atidėtojo atvaizdavimo problema yra šviesos iteravimo kaina. Kiekvienam pikseliui apšvietimo etapas turi iteruoti per kiekvieną scenos šviesos šaltinį, net jei šviesos įtaka yra minimali arba jos visai nėra. Štai čia ir pasirodo klasterizuotas atidėtasis atvaizdavimas.

CDR siekia optimizuoti apšvietimo etapą:

• Erdvinis skaidymas: Matymo piramidės padalijimas į 3D klasterių tinklelį.
• Šviesos šaltinių priskyrimas: Kiekvieno šviesos šaltinio priskyrimas klasteriams, su kuriais jis kertasi.
• Optimizuotas šviesos iteravimas: Apšvietimo etapo metu atsižvelgiama tik į tuos šviesos šaltinius, kurie susieti su konkrečiu klasteriu, kuriame yra dabartinis pikselis.

Tai žymiai sumažina šviesos šaltinių, per kuriuos iteruojama kiekvienam pikseliui, skaičių, ypač scenose su dideliu erdvėje lokalizuotų šviesos šaltinių tankiu. Vietoj iteravimo per potencialiai šimtus ar tūkstančius šviesos šaltinių, apšvietimo etapas atsižvelgia tik į palyginti nedidelį jų poaibį.

Klasterizuoto atidėtojo atvaizdavimo architektūra

CDR esmė slypi jo duomenų struktūrose ir algoritmuose, skirtuose šviesos šaltiniams ir klasteriams valdyti. Štai pagrindinių komponentų apžvalga:

1. Klasterių tinklelio generavimas

Pirmasis žingsnis yra padalyti matymo piramidę į 3D klasterių tinklelį. Šis tinklelis paprastai yra suderintas su kameros vaizdu ir apima visą matomą sceną. Tinklelio matmenys (pvz., 16x9x8) lemia klasterizavimo detalumą. Tinkamų matmenų pasirinkimas yra labai svarbus našumui:

• Per mažai klasterių: Daug šviesos šaltinių priskiriama kiekvienam klasteriui, o tai panaikina klasterizavimo privalumus.
• Per daug klasterių: Padidėja klasterių tinklelio ir šviesos priskyrimų valdymo pridėtinės išlaidos.

Optimalūs tinklelio matmenys priklauso nuo scenos charakteristikų, tokių kaip šviesos šaltinių tankis ir objektų erdvinis pasiskirstymas. Dažnai reikia atlikti empirinius bandymus, kad būtų rasta geriausia konfigūracija. Įsivaizduokite sceną, primenančią turgų Marakeše, Maroke, su šimtais žibintų. Tankesnis klasterių tinklelis galėtų būti naudingas norint tiksliau izoliuoti kiekvieno žibinto šviesos įtaką. Priešingai, plačiai atvirai dykumos scenai Namibijoje su keliais tolimais laužais galėtų būti naudingesnis stambesnis tinklelis.

2. Šviesos šaltinių priskyrimas

Sukūrus klasterių tinklelį, kitas žingsnis yra priskirti kiekvieną šviesos šaltinį klasteriams, su kuriais jis kertasi. Tam reikia nustatyti, kurie klasteriai yra šviesos įtakos zonoje. Procesas skiriasi priklausomai nuo šviesos šaltinio tipo:

• Taškiniai šviesos šaltiniai: Taškiniams šviesos šaltiniams jų spindulys apibrėžia įtakos regioną. Bet kuris klasteris, kurio centras yra šviesos spindulio ribose, laikomas kertamu šviesos šaltinio.
• Prožektoriniai šviesos šaltiniai: Prožektoriniai šviesos šaltiniai turi ir spindulį, ir kryptį. Susikirtimo testas turi atsižvelgti į šviesos padėtį, kryptį ir kūgio kampą.
• Kryptiniai šviesos šaltiniai: Kryptiniai šviesos šaltiniai, būdami be galo toli, techniškai veikia visus klasterius. Tačiau praktiškai jie gali būti traktuojami atskirai arba priskiriami visiems klasteriams, kad būtų išvengta specialaus atvejo tvarkymo apšvietimo etape.

Šviesos priskyrimo procesas gali būti įgyvendintas naudojant įvairias technikas, įskaitant:

• Skaičiavimas CPU pusėje: Atliekant susikirtimo testus CPU ir tada įkeliant šviesos priskyrimus į GPU. Šis metodas yra paprasčiau įgyvendinamas, bet gali tapti kliūtimi scenose su dideliu dinaminių šviesos šaltinių skaičiumi.
• Skaičiavimas GPU pusėje: Naudojant skaičiavimo šešėliavimo programas (compute shaders) susikirtimo testams atlikti tiesiogiai GPU. Tai gali žymiai pagerinti našumą, ypač dinaminiams šviesos šaltiniams, nes skaičiavimai perkeliami iš CPU.

WebGL aplinkoje, norint pasiekti optimalų našumą, paprastai teikiama pirmenybė skaičiavimui GPU pusėje naudojant skaičiavimo šešėliavimo programas, tačiau tam reikia WebGL 2.0 arba `EXT_color_buffer_float` plėtinio, kad būtų galima efektyviai saugoti šviesos indeksus. Pavyzdžiui, įsivaizduokite dinamišką šviesos šaltinį, greitai judantį virtualiame prekybos centre Dubajuje. Šviesos priskyrimo atlikimas GPU būtų labai svarbus norint išlaikyti sklandų kadrų dažnį.

3. Šviesos sąrašų duomenų struktūros

Šviesos priskyrimo proceso rezultatas yra duomenų struktūra, kuri saugo kiekvienam klasteriui priskirtų šviesos šaltinių sąrašą. Yra keletas duomenų struktūros parinkčių, kurių kiekviena turi savo privalumų ir trūkumų:

• Šviesos šaltinių masyvai: Paprastas metodas, kai kiekvienas klasteris saugo šviesos indeksų masyvą. Tai lengva įgyvendinti, bet gali būti neefektyvu, jei klasteriai turi labai skirtingą šviesos šaltinių skaičių.
• Sąsajiniai sąrašai: Naudojant sąsajinius sąrašus šviesos indeksams saugoti kiekvienam klasteriui. Tai leidžia dinamiškai keisti dydį, bet gali būti mažiau draugiška podėliui nei masyvai.
• Poslinkiais pagrįsti sąrašai: Efektyvesnis metodas, kai visuotinis masyvas saugo visus šviesos indeksus, o kiekvienas klasteris saugo poslinkį ir ilgį, nurodantį tam klasteriui svarbių indeksų diapazoną. Tai yra labiausiai paplitęs ir paprastai našiausias metodas.

WebGL aplinkoje poslinkiais pagrįsti sąrašai paprastai įgyvendinami naudojant:

• Atominiai skaitikliai: Naudojami vietai visuotiniame masyve skirti kiekvieno klasterio šviesos sąrašui.
• Shader Storage Buffer objektai (SSBO): Naudojami saugoti visuotinį šviesos indeksų masyvą ir poslinkio/ilgio duomenis kiekvienam klasteriui.

Įsivaizduokite realaus laiko strateginį žaidimą su šimtais vienetų, kurių kiekvienas skleidžia šviesos šaltinį. Poslinkiais pagrįstas sąrašas, valdomas per SSBO, būtų gyvybiškai svarbus norint užtikrinti efektyvų šių daugybės dinaminių šviesos šaltinių tvarkymą. Duomenų struktūros pasirinkimas turėtų būti atidžiai apsvarstytas, atsižvelgiant į numatomą scenos sudėtingumą ir WebGL aplinkos apribojimus.

4. Apšvietimo etapas

Apšvietimo etapas yra tas, kuriame atliekami faktiniai apšvietimo skaičiavimai. Kiekvienam pikseliui paprastai atliekami šie veiksmai:

1. Nustatyti klasterį: Apskaičiuoti klasterio indeksą, kuriam priklauso dabartinis pikselis, remiantis jo ekrano koordinatėmis ir gyliu.
2. Pasiekti šviesos sąrašą: Naudoti klasterio indeksą, kad pasiektumėte to klasterio šviesos sąrašo poslinkį ir ilgį.
3. Iteruoti per šviesos šaltinius: Iteruoti per klasterio šviesos sąraše esančius šviesos šaltinius ir atlikti apšvietimo skaičiavimus.
4. Akumuliuoti apšvietimą: Akumuliuoti kiekvieno šviesos šaltinio indėlį į galutinę pikselio spalvą.

Šis procesas atliekamas fragmentų šešėliavimo programoje. Šešėliavimo programos kodas turi pasiekti G-buferį, klasterių tinklelio duomenis ir šviesos sąrašo duomenis, kad atliktų apšvietimo skaičiavimus. Efektyvūs atminties prieigos modeliai yra labai svarbūs našumui. Tekstūros dažnai naudojamos G-buferio duomenims saugoti, o SSBO naudojami klasterių tinklelio ir šviesos sąrašo duomenims saugoti.

Įgyvendinimo aspektai WebGL aplinkoje

Įgyvendinant CDR WebGL aplinkoje, reikia atidžiai apsvarstyti kelis veiksnius, siekiant užtikrinti optimalų našumą ir suderinamumą.

1. WebGL 2.0 vs. WebGL 1.0

WebGL 2.0 siūlo keletą pranašumų prieš WebGL 1.0 įgyvendinant CDR:

• Skaičiavimo šešėliavimo programos: Leidžia efektyvų šviesos priskyrimą GPU pusėje.
• Shader Storage Buffer objektai (SSBO): Suteikia lankstų ir efektyvų būdą saugoti didelius duomenų kiekius, pvz., klasterių tinklelį ir šviesos sąrašus.
• Sveikųjų skaičių tekstūros: Leidžia efektyviai saugoti šviesos indeksus.

Nors CDR galima įgyvendinti ir WebGL 1.0 naudojant plėtinius, tokius kaip `OES_texture_float` ir `EXT_frag_depth`, našumas paprastai yra mažesnis dėl skaičiavimo šešėliavimo programų ir SSBO trūkumo. WebGL 1.0 aplinkoje gali tekti simuliuoti SSBO naudojant tekstūras, o tai gali sukelti papildomų pridėtinių išlaidų. Šiuolaikinėms programoms labai rekomenduojama orientuotis į WebGL 2.0. Tačiau, siekiant plataus suderinamumo, būtina numatyti atsarginį, paprastesnį atvaizdavimo kelią WebGL 1.0.

2. Duomenų perdavimo pridėtinės išlaidos

Norint pasiekti gerą našumą, labai svarbu sumažinti duomenų perdavimą tarp CPU ir GPU. Venkite perduoti duomenis kiekviename kadre, jei tai įmanoma. Statinius duomenis, tokius kaip klasterių tinklelio matmenys, galima įkelti vieną kartą ir naudoti pakartotinai. Dinaminiai duomenys, tokie kaip šviesos šaltinių pozicijos, turėtų būti atnaujinami efektyviai, naudojant technikas, pvz.:

• Buferio dalies duomenys (Buffer Sub Data): Atnaujina tik tas buferio dalis, kurios pasikeitė.
• Našlaičių buferiai (Orphan Buffers): Kiekviename kadre sukuria naują buferį, užuot modifikavus esamą, taip išvengiant galimų sinchronizacijos problemų.

Atidžiai profiliuokite savo programą, kad nustatytumėte bet kokias duomenų perdavimo kliūtis ir atitinkamai optimizuotumėte.

3. Šešėliavimo programų sudėtingumas

Stenkitės, kad apšvietimo šešėliavimo programa būtų kuo paprastesnė. Sudėtingi apšvietimo modeliai gali žymiai paveikti našumą. Apsvarstykite galimybę naudoti supaprastintus apšvietimo modelius arba iš anksto apskaičiuoti kai kuriuos apšvietimo skaičiavimus neprisijungus. Šešėliavimo programos sudėtingumas turės įtakos minimaliems aparatinės įrangos reikalavimams, kad WebGL programa veiktų sklandžiai. Pavyzdžiui, mobilieji įrenginiai turės mažesnę toleranciją sudėtingoms šešėliavimo programoms nei aukštos klasės stacionarių kompiuterių GPU.

4. Atminties valdymas

WebGL programoms taikomi naršyklės ir operacinės sistemos nustatyti atminties apribojimai. Atkreipkite dėmesį į atminties kiekį, skiriamą tekstūroms, buferiams ir kitiems ištekliams. Nedelsdami atlaisvinkite nenaudojamus išteklius, kad išvengtumėte atminties nutekėjimo ir užtikrintumėte, jog programa veiktų sklandžiai, ypač įrenginiuose su ribotais ištekliais. Naršyklės našumo stebėjimo įrankiai gali padėti nustatyti su atmintimi susijusias kliūtis.

5. Naršyklių suderinamumas

Išbandykite savo programą skirtingose naršyklėse ir platformose, kad užtikrintumėte suderinamumą. WebGL diegimas gali skirtis tarp naršyklių, o kai kurios funkcijos gali būti nepalaikomos visuose įrenginiuose. Naudokite funkcijų aptikimą, kad grakščiai tvarkytumėte nepalaikomas funkcijas ir, jei reikia, pateiktumėte atsarginį atvaizdavimo kelią. Tvirta testavimo matrica skirtingose naršyklėse (Chrome, Firefox, Safari, Edge) ir operacinėse sistemose (Windows, macOS, Linux, Android, iOS) yra labai svarbi norint suteikti nuoseklią vartotojo patirtį.

Klasterizuoto atidėtojo atvaizdavimo privalumai

CDR siūlo keletą pranašumų prieš tradicinį atidėtąjį ir tiesioginį atvaizdavimą, ypač scenose su dideliu šviesos šaltinių skaičiumi:

• Pagerintas našumas: Sumažindamas šviesos šaltinių, per kuriuos iteruojama kiekvienam pikseliui, skaičių, CDR gali žymiai pagerinti našumą, ypač scenose su dideliu lokalizuotų šviesos šaltinių tankiu.
• Mastelis: CDR gerai prisitaiko prie šviesos šaltinių skaičiaus, todėl tinka scenoms su šimtais ar net tūkstančiais šviesos šaltinių.
• Sudėtingas apšvietimas: Atidėtasis atvaizdavimas apskritai leidžia efektyviai taikyti sudėtingus apšvietimo modelius.

Klasterizuoto atidėtojo atvaizdavimo trūkumai

Nepaisant privalumų, CDR turi ir tam tikrų trūkumų:

• Sudėtingumas: CDR yra sudėtingiau įgyvendinti nei tradicinį tiesioginį ar atidėtąjį atvaizdavimą.
• Atminties pridėtinės išlaidos: CDR reikalauja papildomos atminties klasterių tinklui ir šviesos sąrašams.
• Skaidrumo valdymas: Atidėtąjį atvaizdavimą, įskaitant CDR, gali būti sudėtinga įgyvendinti su skaidrumu. Dažnai reikalingos specialios technikos, pvz., skaidrių objektų tiesioginis atvaizdavimas arba nuo eiliškumo nepriklausomo skaidrumo (OIT) naudojimas.

Klasterizuoto atidėtojo atvaizdavimo alternatyvos

Nors CDR yra galinga technika, egzistuoja ir kitų šviesos valdymo technikų, kurių kiekviena turi savo stipriąsias ir silpnąsias puses:

• Forward+ atvaizdavimas: Hibridinis metodas, kuris sujungia tiesioginį atvaizdavimą su skaičiavimo šešėliavimo programomis pagrįstu šviesos atmetimo etapu. Jį gali būti paprasčiau įgyvendinti nei CDR, bet jis gali ne taip gerai mastelio keistis su labai dideliu šviesos šaltinių skaičiumi.
• Plytelėmis pagrįstas atidėtasis atvaizdavimas: Panašus į CDR, bet padalija ekraną į 2D plyteles, o ne į 3D klasterius. Jį paprasčiau įgyvendinti, bet jis mažiau efektyvus tvarkant šviesos šaltinius su dideliu gylio diapazonu.
• Šviesos indeksuotas atidėtasis atvaizdavimas (LIDR): Technika, kuri naudoja šviesos tinklelį šviesos informacijai saugoti, leidžianti efektyviai ieškoti šviesos apšvietimo etape.

Atvaizdavimo technikos pasirinkimas priklauso nuo konkrečių programos reikalavimų, tokių kaip šviesos šaltinių skaičius, apšvietimo modelio sudėtingumas ir tikslinė platforma.

Praktiniai pavyzdžiai ir naudojimo atvejai

CDR ypač tinka:

• Žaidimams su dinaminiu apšvietimu: Žaidimai su dideliu dinaminių šviesos šaltinių skaičiumi, pvz., realaus laiko strateginiai žaidimai, vaidmenų žaidimai ir pirmojo asmens šaudyklės, gali gauti didelės naudos iš CDR.
• Architektūrinė vizualizacija: Architektūrinės vizualizacijos su sudėtingais apšvietimo scenarijais gali pasinaudoti CDR, kad pasiektų realistiškus apšvietimo efektus neaukojant našumo.
• Virtuali realybė (VR) ir papildyta realybė (AR): VR ir AR programoms dažnai reikalingas didelis kadrų dažnis, kad būtų palaikoma patogi vartotojo patirtis. CDR gali padėti tai pasiekti optimizuodamas apšvietimo skaičiavimus.
• Interaktyvūs 3D produktų peržiūros įrankiai: E. prekybos platformos, rodančios interaktyvius 3D produktų modelius, gali naudoti CDR, kad efektyviai atvaizduotų sudėtingas apšvietimo sąrankas, suteikdamos patrauklesnę vartotojo patirtį.

Išvada

WebGL klasterizuotas atidėtasis atvaizdavimas yra galinga atvaizdavimo technika, siūlanti reikšmingus našumo patobulinimus scenoms su dideliu šviesos šaltinių skaičiumi. Padalydamas matymo piramidę į klasterius ir priskirdamas šviesos šaltinius tiems klasteriams, CDR sumažina šviesos šaltinių, per kuriuos iteruojama kiekvienam pikseliui, skaičių, todėl atvaizdavimas vyksta greičiau. Nors CDR yra sudėtingiau įgyvendinti nei tradicinį tiesioginį ar atidėtąjį atvaizdavimą, nauda našumo ir mastelio požiūriu daro jį verta investicija daugeliui WebGL programų. Atidžiai apsvarstykite įgyvendinimo aspektus, tokius kaip WebGL versija, duomenų perdavimo pridėtinės išlaidos ir šešėliavimo programų sudėtingumas, kad užtikrintumėte optimalų našumą ir suderinamumą. WebGL toliau tobulėjant, CDR tikėtina taps vis svarbesne technika siekiant aukštos kokybės, realaus laiko 3D grafikos interneto naršyklėse.

Papildomi mokymosi ištekliai

• Moksliniai straipsniai apie klasterizuotą atidėtąjį ir Forward+ atvaizdavimą: Tyrinėkite akademines publikacijas, kuriose išsamiai aprašomi techniniai šių atvaizdavimo technikų aspektai.
• WebGL pavyzdžiai ir demonstracijos: Studijuokite atvirojo kodo WebGL projektus, kurie įgyvendina CDR ar Forward+ atvaizdavimą.
• Internetiniai forumai ir bendruomenės: Bendraukite su kitais grafikos programuotojais ir kūrėjais, kad pasimokytumėte iš jų patirties ir užduotumėte klausimus.
• Knygos apie realaus laiko atvaizdavimą: Konsultuokitės su išsamiais vadovėliais apie realaus laiko atvaizdavimo technikas, kuriuose dažnai išsamiai aptariamas CDR ir susijusios temos.