WebGL klasterinis šviesų priskyrimas: dinaminis šviesos paskirstymas

Realaus laiko scenų su dideliu dinaminių šviesų skaičiumi atvaizdavimas yra didelis iššūkis. Paprasti metodai, pavyzdžiui, visų šviesų iteravimas kiekvienam fragmentui, greitai tampa per daug reiklūs skaičiavimams. WebGL klasterinis šviesų priskyrimas siūlo galingą ir efektyvų šios problemos sprendimą, padalijant matymo nupjautinę piramidę į klasterių tinklelį ir priskiriant šviesas klasteriams pagal jų erdvinę vietą. Tai žymiai sumažina šviesų, kurias reikia apsvarstyti kiekvienam fragmentui, skaičių, o tai lemia geresnį našumą.

Problemos supratimas: dinaminio apšvietimo iššūkis

Tradicinis tiesioginis atvaizdavimas (forward rendering) susiduria su mastelio keitimo problemomis, kai reikia apdoroti didelį dinaminių šviesų tankį. Kiekvienam fragmentui (pikseliui) šešėliavimo programa (shader) turi iteruoti per visas šviesas, kad apskaičiuotų apšvietimo indėlį. Šis sudėtingumas yra O(n), kur n yra šviesų skaičius, todėl jis netinkamas scenoms su šimtais ar tūkstančiais šviesų. Nors atidėtasis atvaizdavimas (deferred rendering) sprendžia kai kurias iš šių problemų, jis sukelia savo sudėtingumų ir ne visada yra optimalus pasirinkimas, ypač mobiliuosiuose įrenginiuose ar WebGL aplinkose, kur G buferio pralaidumas gali tapti kliūtimi.

Klasterinio šviesų priskyrimo pristatymas

Klasterinis šviesų priskyrimas siūlo hibridinį metodą, kuris išnaudoja tiek tiesioginio, tiek atidėtojo atvaizdavimo privalumus, kartu sumažindamas jų trūkumus. Pagrindinė idėja yra padalyti 3D sceną į mažų tūrių, arba klasterių, tinklelį. Kiekvienas klasteris saugo šviesų, kurios potencialiai veikia tame klasteryje esančius pikselius, sąrašą. Atvaizdavimo metu šešėliavimo programai reikia iteruoti tik per šviesas, priskirtas klasteriui, kuriame yra dabartinis fragmentas, taip žymiai sumažinant šviesos skaičiavimų skaičių.

Pagrindinės sąvokos:

• Klasteriai: Tai maži 3D tūriai, kurie padalija matymo nupjautinę piramidę. Klasterių dydis ir išdėstymas daro didelę įtaką našumui.
• Šviesų priskyrimas: Šis procesas nustato, kurios šviesos veikia kuriuos klasterius. Efektyvūs priskyrimo algoritmai yra labai svarbūs optimaliam našumui.
• Šešėliavimo programos optimizavimas: Fragmentų šešėliavimo programa turi efektyviai pasiekti ir apdoroti priskirtus šviesos duomenis.

Kaip veikia klasterinis šviesų priskyrimas

Klasterinio šviesų priskyrimo procesą galima suskirstyti į šiuos etapus:

1. Klasterių generavimas: Matymo nupjautinė piramidė padalijama į 3D klasterių tinklelį. Tinklelio matmenys (pvz., klasterių skaičius X, Y ir Z ašyse) paprastai parenkami atsižvelgiant į ekrano skiriamąją gebą ir našumo sumetimus. Įprastos konfigūracijos apima 16x9x16 arba 32x18x32, nors šiuos skaičius reikėtų derinti pagal platformą ir turinį.
2. Šviesos-klasterio priskyrimas: Kiekvienai šviesai algoritmas nustato, kurie klasteriai yra šviesos įtakos spindulyje. Tai apima atstumo tarp šviesos padėties ir kiekvieno klasterio centro apskaičiavimą. Klasteriai, esantys spindulyje, pridedami prie šviesos įtakos sąrašo, o šviesa pridedama prie klasterio šviesų sąrašo. Tai yra pagrindinė optimizavimo sritis, kurioje dažnai naudojamos tokios technikos kaip apgaubiančiųjų tūrių hierarchijos (BVH) ar erdvinė maiša (spatial hashing).
3. Duomenų struktūros kūrimas: Kiekvieno klasterio šviesų sąrašai paprastai saugomi buferio objekte, kurį gali pasiekti šešėliavimo programa. Šis buferis gali būti struktūrizuotas įvairiais būdais, siekiant optimizuoti prieigos modelius, pavyzdžiui, naudojant kompaktišką šviesos indeksų sąrašą arba saugant papildomas šviesos savybes tiesiogiai klasterio duomenyse.
4. Fragmentų šešėliavimo programos vykdymas: Fragmentų šešėliavimo programa nustato, kuriam klasteriui priklauso dabartinis fragmentas. Tada ji iteruoja per to klasterio šviesų sąrašą ir apskaičiuoja kiekvienos priskirtos šviesos apšvietimo indėlį.

Įgyvendinimo detalės WebGL

Įgyvendinant klasterinį šviesų priskyrimą WebGL, reikia atidžiai apsvarstyti šešėliavimo programų programavimą ir duomenų valdymą GPU.

1. Klasterių nustatymas

Klasterių tinklelis apibrėžiamas remiantis kameros savybėmis (matymo laukas (FOV), kraštinių santykis, artimosios ir tolimosios plokštumos) ir norimu klasterių skaičiumi kiekvienoje dimensijoje. Klasterio dydį galima apskaičiuoti remiantis šiais parametrais. Įprastame įgyvendinime klasterių matmenys yra fiksuoti.

            
const numClustersX = 16;
const numClustersY = 9;
const numClustersZ = 16; //Depth clusters are especially important for large scenes

// Calculate cluster dimensions based on camera parameters and cluster counts.
function calculateClusterDimensions(camera, numClustersX, numClustersY, numClustersZ) {
 const tanHalfFOV = Math.tan(camera.fov / 2 * Math.PI / 180);
 const clusterWidth = 2 * tanHalfFOV * camera.aspectRatio / numClustersX;
 const clusterHeight = 2 * tanHalfFOV / numClustersY;
 const clusterDepthScale = Math.pow(camera.far / camera.near, 1 / numClustersZ);

 return { clusterWidth, clusterHeight, clusterDepthScale };
}

            

              
                Copy
              
            
          

2. Šviesų priskyrimo algoritmas

Šviesų priskyrimo algoritmas iteruoja per kiekvieną šviesą ir nustato, kuriuos klasterius ji veikia. Paprastas metodas apima atstumo tarp šviesos ir kiekvieno klasterio centro apskaičiavimą. Optimizuotesnis metodas iš anksto apskaičiuoja šviesų apgaubiančiąją sferą. Skaičiavimo kliūtis čia paprastai yra poreikis iteruoti per labai didelį klasterių skaičių. Čia labai svarbios optimizavimo technikos. Šį veiksmą galima atlikti CPU arba naudojant skaičiavimo šešėliavimo programas (WebGL 2.0+).

            
// Pseudo-code for light assignment
for (let light of lights) {
 for (let x = 0; x < numClustersX; ++x) {
 for (let y = 0; y < numClustersY; ++y) {
 for (let z = 0; z < numClustersZ; ++z) {
  // Calculate cluster center world position
  const clusterCenter = calculateClusterCenter(x, y, z);

  // Calculate distance between light and cluster center
  const distance = vec3.distance(light.position, clusterCenter);

  // If distance is within light radius, add light to cluster
  if (distance <= light.radius) {
  addLightToCluster(light, x, y, z);
  }
 }
 }
 }
}

            

              
                Copy
              
            
          

3. Šviesų sąrašų duomenų struktūra

Kiekvieno klasterio šviesų sąrašai turi būti saugomi formatu, kurį šešėliavimo programa galėtų efektyviai pasiekti. Įprastas metodas yra naudoti tekstūros buferio objektą (TBO) arba šešėliavimo programos saugyklos buferio objektą (SSBO) WebGL 2.0. TBO saugo šviesos indeksus arba šviesos duomenis tekstūroje, o SSBO leidžia lankstesnius saugojimo ir prieigos modelius. TBO yra plačiai palaikomi WebGL1 įgyvendinimuose per plėtinius, siūlantys platesnį suderinamumą.

Galimi du pagrindiniai metodai:

• Kompaktiškas šviesų sąrašas: Saugomi tik klasteriui priskirtų šviesų indeksai. Reikalinga papildoma paieška atskirame šviesos duomenų buferyje.
• Šviesos duomenys klasteryje: Šviesos savybės (padėtis, spalva, intensyvumas) saugomos tiesiogiai klasterio duomenyse. Išvengiama papildomos paieškos, bet sunaudojama daugiau atminties.

            
// Example using a Texture Buffer Object (TBO) with a compact light list

// LightIndices: Array of light indices assigned to each cluster
// LightData: Array containing the actual light data (position, color, etc.)

// In the shader:
uniform samplerBuffer lightIndices;
uniform samplerBuffer lightData;
uniform ivec3 numClusters;

int clusterIndex = x + y * numClusters.x + z * numClusters.x * numClusters.y;

// Get the start and end index for the light list in this cluster
int startIndex = texelFetch(lightIndices, clusterIndex * 2).r; //Assuming each texel is a single light index, and startIndex/endIndex are packed sequentially.
int endIndex = texelFetch(lightIndices, clusterIndex * 2 + 1).r;

for (int i = startIndex; i < endIndex; ++i) {
 int lightIndex = texelFetch(lightIndices, i).r;
 // Fetch the actual light data using the lightIndex
 vec4 lightPosition = texelFetch(lightData, lightIndex * NUM_LIGHT_PROPERTIES).rgba; //NUM_LIGHT_PROPERTIES would be a uniform.
 ...
}

            

              
                Copy
              
            
          

4. Fragmentų šešėliavimo programos įgyvendinimas

Fragmentų šešėliavimo programa nustato klasterį, kuriam priklauso dabartinis fragmentas, ir tada iteruoja per to klasterio šviesų sąrašą. Šešėliavimo programa apskaičiuoja apšvietimo indėlį iš kiekvienos priskirtos šviesos ir kaupia rezultatus.

            
// In the fragment shader
uniform ivec3 numClusters;
uniform vec2 resolution;

// Calculate the cluster index for the current fragment
ivec3 clusterIndex = ivec3(
 int(gl_FragCoord.x / (resolution.x / float(numClusters.x))),
 int(gl_FragCoord.y / (resolution.y / float(numClusters.y))),
 int(log(gl_FragCoord.z) / log(clusterDepthScale)) //Assumes logarithmic depth buffer.
);

//Ensure the cluster index stays within range.
clusterIndex = clamp(clusterIndex, ivec3(0), numClusters - ivec3(1));

int linearClusterIndex = clusterIndex.x + clusterIndex.y * numClusters.x + clusterIndex.z * numClusters.x * numClusters.y;

// Iterate through the light list for the cluster
// (Access light data from the TBO or SSBO based on the implementation)

// Perform lighting calculations for each light


            

              
                Copy
              
            
          

Našumo optimizavimo strategijos

Klasterinio šviesų priskyrimo našumas labai priklauso nuo įgyvendinimo efektyvumo. Galima panaudoti keletą optimizavimo technikų našumui pagerinti:

• Klasterio dydžio optimizavimas: Optimalus klasterio dydis priklauso nuo scenos sudėtingumo, šviesų tankio ir ekrano skiriamosios gebos. Eksperimentavimas su skirtingais klasterių dydžiais yra labai svarbus norint rasti geriausią balansą tarp šviesų priskyrimo tikslumo ir šešėliavimo programos našumo.
• Matymo nupjautinės piramidės atmetimas (Frustum culling): Šis metodas gali būti naudojamas pašalinti šviesas, kurios yra visiškai už matymo nupjautinės piramidės ribų, prieš pradedant šviesų priskyrimo procesą.
• Šviesų atmetimo technikos: Naudokite erdvines duomenų struktūras, tokias kaip aštuonmedžiai (octrees) ar KD-medžiai, kad paspartintumėte šviesų atmetimą. Tai žymiai sumažina šviesų, kurias reikia apsvarstyti kiekvienam klasteriui, skaičių.
• GPU pagrįstas šviesų priskyrimas: Šviesų priskyrimo proceso perkėlimas į GPU naudojant skaičiavimo šešėliavimo programas (WebGL 2.0+) gali žymiai pagerinti našumą, ypač scenose su dideliu dinaminių šviesų skaičiumi.
• Bitų kaukės optimizavimas: Klasterio-šviesos matomumą galima pavaizduoti naudojant bitų kaukes. Tai gali pagerinti podėlio koherentiškumą ir sumažinti atminties pralaidumo reikalavimus.
• Šešėliavimo programų optimizavimas: Optimizuokite fragmentų šešėliavimo programą, kad sumažintumėte instrukcijų ir atminties prieigų skaičių. Naudokite efektyvias duomenų struktūras ir algoritmus apšvietimo skaičiavimams. Atitinkamais atvejais išvyniokite ciklus.
• Šviesų LOD (detalumo lygis): Sumažinkite apdorojamų šviesų skaičių tolimiems objektams. Tai galima pasiekti supaprastinant apšvietimo skaičiavimus arba visiškai išjungiant šviesas.
• Laikinasis koherentiškumas: Išnaudokite laikinąjį koherentiškumą pakartotinai naudodami šviesų priskyrimus iš ankstesnių kadrų. Atnaujinkite šviesų priskyrimus tik toms šviesoms, kurios žymiai pasislinko.
• Slankiojo kablelio tikslumas: Apsvarstykite galimybę naudoti mažesnio tikslumo slankiojo kablelio skaičius (pvz., `mediump`) šešėliavimo programoje kai kuriems apšvietimo skaičiavimams, kas gali pagerinti našumą kai kuriuose GPU.
• Optimizavimas mobiliesiems įrenginiams: Optimizuokite mobiliesiems įrenginiams sumažindami šviesų skaičių, supaprastindami šešėliavimo programas ir naudodami mažesnės skiriamosios gebos tekstūras.

Privalumai ir trūkumai

Privalumai:

• Pagerintas našumas: Žymiai sumažina šviesos skaičiavimų, reikalingų vienam fragmentui, skaičių, o tai lemia geresnį našumą, palyginti su tradiciniu tiesioginiu atvaizdavimu.
• Mastelio keitimas: Gerai veikia scenose su dideliu dinaminių šviesų skaičiumi.
• Lankstumas: Galima derinti su kitomis atvaizdavimo technikomis, tokiomis kaip šešėlių žemėlapiai (shadow mapping) ir aplinkos užtemimas (ambient occlusion).

Trūkumai:

• Sudėtingumas: Sudėtingiau įgyvendinti nei tradicinį tiesioginį atvaizdavimą.
• Atminties sąnaudos: Reikalinga papildoma atmintis klasterių duomenims ir šviesų sąrašams saugoti.
• Parametrų derinimas: Reikia atidžiai derinti klasterio dydį ir kitus parametrus, kad būtų pasiektas optimalus našumas.

Alternatyvos klasteriniam apšvietimui

Nors klasterinis apšvietimas siūlo keletą privalumų, tai nėra vienintelis sprendimas dinaminiam apšvietimui valdyti. Egzistuoja keletas alternatyvių technikų, kurių kiekviena turi savo kompromisus.

• Atidėtasis atvaizdavimas (Deferred Rendering): Atvaizduoja scenos informaciją (normales, gylį ir t.t.) į G buferius ir atlieka apšvietimo skaičiavimus atskiru etapu. Efektyvus esant dideliam statinių šviesų skaičiui, tačiau gali reikalauti didelio pralaidumo ir būti sudėtingas įgyvendinti WebGL, ypač senesnėje aparatinėje įrangoje.
• Tiesioginis+ atvaizdavimas (Forward+ Rendering): Tiesioginio atvaizdavimo variantas, kuris naudoja skaičiavimo šešėliavimo programą išankstiniam šviesų tinklelio apskaičiavimui, panašiai kaip klasterinis apšvietimas. Kai kurioje aparatinėje įrangoje gali būti efektyvesnis už atidėtąjį atvaizdavimą.
• Segmentuotas atidėtasis atvaizdavimas (Tiled Deferred Rendering): Padalija ekraną į segmentus (tiles) ir atlieka atidėtojo apšvietimo skaičiavimus kiekvienam segmentui. Gali būti efektyvesnis už tradicinį atidėtąjį atvaizdavimą, ypač mobiliuosiuose įrenginiuose.
• Šviesų indeksuotas atidėtasis atvaizdavimas (Light Indexed Deferred Rendering): Panašus į segmentuotą atidėtąjį atvaizdavimą, bet naudoja šviesos indeksą efektyviam šviesos duomenų pasiekimui.
• Iš anksto apskaičiuotas spinduliavimo perdavimas (Precomputed Radiance Transfer - PRT): Iš anksto apskaičiuoja statinių objektų apšvietimą ir saugo rezultatus tekstūroje. Efektyvus statinėms scenoms su sudėtingu apšvietimu, bet prastai veikia su dinaminiais objektais.

Globali perspektyva: pritaikomumas įvairiose platformose

Klasterinio apšvietimo pritaikomumas skiriasi priklausomai nuo platformų ir aparatinės įrangos konfigūracijų. Nors modernūs stacionarių kompiuterių GPU gali lengvai susidoroti su sudėtingais klasterinio apšvietimo įgyvendinimais, mobilieji įrenginiai ir žemesnės klasės sistemos dažnai reikalauja agresyvesnių optimizavimo strategijų.

• Stacionarių kompiuterių GPU: Naudojasi didesniu atminties pralaidumu ir apdorojimo galia, leidžiančia naudoti didesnius klasterių dydžius ir sudėtingesnes šešėliavimo programas.
• Mobiliųjų įrenginių GPU: Reikalauja agresyvesnio optimizavimo dėl ribotų išteklių. Dažnai būtini mažesni klasterių dydžiai, mažesnio tikslumo slankiojo kablelio skaičiai ir paprastesnės šešėliavimo programos.
• WebGL suderinamumas: Užtikrinkite suderinamumą su senesnėmis WebGL versijomis naudodami atitinkamus plėtinius ir vengdami funkcijų, kurios prieinamos tik WebGL 2.0. Apsvarstykite funkcijų aptikimo ir atsarginių strategijų taikymą senesnėms naršyklėms.

Naudojimo pavyzdžiai

Klasterinis šviesų priskyrimas tinka įvairioms programoms, įskaitant:

• Žaidimai: Scenų su daugybe dinaminių šviesų, tokių kaip dalelių efektai, sprogimai ir personažų apšvietimas, atvaizdavimas. Įsivaizduokite judrų Marakešo turgų su šimtais mirgančių žibintų, kurių kiekvienas meta dinamiškus šešėlius.
• Vizualizacijos: Sudėtingų duomenų rinkinių su dinaminiais apšvietimo efektais vizualizavimas, pavyzdžiui, medicininėje vaizdinėje diagnostikoje ir mokslinėse simuliacijose. Apsvarstykite šviesos pasiskirstymo modeliavimą sudėtingoje pramoninėje mašinoje ar tankioje miesto aplinkoje, pavyzdžiui, Tokijuje.
• Virtuali realybė (VR) ir papildyta realybė (AR): Realistiškų aplinkų su dinamišku apšvietimu atvaizdavimas įtraukiančioms patirtims. Pagalvokite apie VR turą po senovės Egipto kapą su mirgančia fakelų šviesa ir dinamiškais šešėliais.
• Produktų konfigūratoriai: Leidžia vartotojams interaktyviai konfigūruoti produktus su dinamišku apšvietimu, pavyzdžiui, automobilius ir baldus. Vartotojas, kuriantis individualų automobilį internetu, galėtų matyti tikslius atspindžius ir šešėlius, priklausančius nuo virtualios aplinkos.

Praktiniai patarimai

Štai keletas praktinių patarimų, kaip įgyvendinti ir optimizuoti klasterinį šviesų priskyrimą WebGL:

• Pradėkite nuo paprasto įgyvendinimo: Pradėkite nuo pagrindinio klasterinio šviesų priskyrimo įgyvendinimo ir palaipsniui pridėkite optimizacijas pagal poreikį.
• Profiluokite savo kodą: Naudokite WebGL profiliavimo įrankius, kad nustatytumėte našumo kliūtis ir sutelktumėte savo optimizavimo pastangas į svarbiausias sritis.
• Eksperimentuokite su skirtingais parametrais: Optimalus klasterio dydis, šviesų atmetimo algoritmas ir šešėliavimo programų optimizacijos priklauso nuo konkrečios scenos ir aparatinės įrangos. Eksperimentuokite su skirtingais parametrais, kad rastumėte geriausią konfigūraciją.
• Apsvarstykite GPU pagrįstą šviesų priskyrimą: Jei orientuojatės į WebGL 2.0, apsvarstykite galimybę naudoti skaičiavimo šešėliavimo programas, kad perkeltumėte šviesų priskyrimo procesą į GPU.
• Būkite atnaujinę: Sekite naujausias WebGL geriausias praktikas ir optimizavimo technikas, kad užtikrintumėte, jog jūsų įgyvendinimas yra kuo efektyvesnis.

Išvada

WebGL klasterinis šviesų priskyrimas suteikia galingą ir efektyvų sprendimą scenoms su dideliu dinaminių šviesų skaičiumi atvaizduoti. Padalijant matymo nupjautinę piramidę į klasterius ir priskiriant šviesas klasteriams pagal jų erdvinę vietą, ši technika žymiai sumažina šviesos skaičiavimų, reikalingų vienam fragmentui, skaičių, o tai lemia geresnį našumą. Nors įgyvendinimas gali būti sudėtingas, nauda našumo ir mastelio keitimo požiūriu daro jį vertingu įrankiu bet kuriam WebGL kūrėjui, dirbančiam su dinamišku apšvietimu. Nuolatinė WebGL ir GPU aparatinės įrangos evoliucija neabejotinai lems tolesnius klasterinio apšvietimo technikų patobulinimus, suteikdama dar realistiškesnes ir įtraukiančias internetines patirtis.

Nepamirškite išsamiai profiliuoti savo kodą ir eksperimentuoti su skirtingais parametrais, kad pasiektumėte optimalų našumą savo konkrečiai programai ir tikslinei aparatinei įrangai.