WebGL Clustered Light Assignment: Dynamische Lichtverdeling

Het real-time renderen van scènes met een groot aantal dynamische lichten vormt een aanzienlijke uitdaging. Naïeve benaderingen, zoals het doorlopen van alle lichten voor elk fragment, worden snel rekenkundig onhaalbaar. WebGL Clustered Light Assignment biedt een krachtige en efficiënte oplossing voor dit probleem door de view frustum op te delen in een raster van clusters en lichten toe te wijzen aan clusters op basis van hun ruimtelijke locatie. Dit vermindert aanzienlijk het aantal lichten dat voor elk fragment moet worden overwogen, wat leidt tot betere prestaties.

Het Probleem Begrijpen: De Uitdaging van Dynamische Verlichting

Traditionele forward rendering ondervindt schaalbaarheidsproblemen bij het omgaan met een hoge dichtheid van dynamische lichten. Voor elk fragment (pixel) moet de shader alle lichten doorlopen om de lichtbijdrage te berekenen. Deze complexiteit is O(n), waarbij n het aantal lichten is, wat het onhoudbaar maakt voor scènes met honderden of duizenden lichten. Deferred rendering, hoewel het enkele van deze problemen aanpakt, introduceert zijn eigen complexiteiten en is niet altijd de optimale keuze, met name op mobiele apparaten of in WebGL-omgevingen waar de bandbreedte van de G-buffer een knelpunt kan zijn.

Introductie van Clustered Light Assignment

Clustered Light Assignment biedt een hybride aanpak die de voordelen van zowel forward als deferred rendering benut, terwijl de nadelen worden beperkt. Het kernidee is om de 3D-scène op te delen in een raster van kleine volumes, of clusters. Elk cluster bevat een lijst van lichten die mogelijk de pixels binnen dat cluster beïnvloeden. Tijdens het renderen hoeft de shader alleen de lichten te doorlopen die zijn toegewezen aan het cluster waarin het huidige fragment zich bevindt, wat het aantal lichtberekeningen aanzienlijk vermindert.

Kernconcepten:

• Clusters: Dit zijn kleine 3D-volumes die de view frustum opdelen. De grootte en rangschikking van clusters hebben een aanzienlijke invloed op de prestaties.
• Lichttoewijzing: Dit proces bepaalt welke lichten welke clusters beïnvloeden. Efficiënte toewijzingsalgoritmen zijn cruciaal voor optimale prestaties.
• Shader-optimalisatie: De fragment shader moet de toegewezen lichtgegevens efficiënt kunnen benaderen en verwerken.

Hoe Clustered Light Assignment Werkt

Het proces van clustered light assignment kan worden onderverdeeld in de volgende stappen:

1. Clustergeneratie: De view frustum wordt verdeeld in een 3D-raster van clusters. De afmetingen van het raster (bijv. het aantal clusters langs de X-, Y- en Z-as) worden doorgaans gekozen op basis van schermresolutie en prestatieoverwegingen. Gangbare configuraties zijn 16x9x16 of 32x18x32, hoewel deze getallen moeten worden afgestemd op het platform en de inhoud.
2. Licht-Cluster Toewijzing: Voor elk licht bepaalt het algoritme welke clusters binnen de invloedsradius van het licht vallen. Dit omvat het berekenen van de afstand tussen de positie van het licht en het centrum van elk cluster. Clusters binnen de radius worden toegevoegd aan de invloedslijst van het licht, en het licht wordt toegevoegd aan de lichtlijst van het cluster. Dit is een belangrijk gebied voor optimalisatie, waarbij vaak technieken zoals bounding volume hierarchies (BVH) of spatial hashing worden gebruikt.
3. Creatie van Datastructuur: De lichtlijsten voor elke cluster worden doorgaans opgeslagen in een bufferobject dat toegankelijk is voor de shader. Deze buffer kan op verschillende manieren worden gestructureerd om toegangspatronen te optimaliseren, zoals het gebruik van een compacte lijst van lichtindices of het direct opslaan van extra lichteigenschappen binnen de clustergegevens.
4. Uitvoering van de Fragment Shader: De fragment shader bepaalt tot welk cluster het huidige fragment behoort. Vervolgens doorloopt het de lichtlijst voor dat cluster en berekent de lichtbijdrage van elk toegewezen licht.

Implementatiedetails in WebGL

Het implementeren van clustered light assignment in WebGL vereist een zorgvuldige overweging van shader-programmering en gegevensbeheer op de GPU.

1. De Clusters Instellen

Het clusterraster wordt gedefinieerd op basis van de eigenschappen van de camera (FOV, aspect ratio, near- en far-vlakken) en het gewenste aantal clusters in elke dimensie. De clustergrootte kan worden berekend op basis van deze parameters. In een typische implementatie zijn de clusterdimensies vast.

            
const numClustersX = 16;
const numClustersY = 9;
const numClustersZ = 16; //Diepteclusters zijn vooral belangrijk voor grote scènes

// Bereken clusterdimensies op basis van cameraparameters en clusteraantallen.
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. Algoritme voor Lichttoewijzing

Het algoritme voor lichttoewijzing doorloopt elk licht en bepaalt welke clusters het beïnvloedt. Een eenvoudige aanpak omvat het berekenen van de afstand tussen het licht en het centrum van elk cluster. Een meer geoptimaliseerde aanpak berekent vooraf de bounding sphere van lichten. Het rekenkundige knelpunt hier is meestal de noodzaak om een zeer groot aantal clusters te doorlopen. Optimalisatietechnieken zijn hier cruciaal. Deze stap kan worden uitgevoerd op de CPU of met behulp van compute shaders (WebGL 2.0+).

            
// Pseudocode voor lichttoewijzing
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) {
  // Bereken de wereldpositie van het clustercentrum
  const clusterCenter = calculateClusterCenter(x, y, z);

  // Bereken de afstand tussen het licht en het clustercentrum
  const distance = vec3.distance(light.position, clusterCenter);

  // Als de afstand binnen de lichtradius valt, voeg het licht toe aan het cluster
  if (distance <= light.radius) {
  addLightToCluster(light, x, y, z);
  }
 }
 }
 }
}

            

              
                Copy
              
            
          

3. Datastructuur voor Lichtlijsten

De lichtlijsten voor elke cluster moeten worden opgeslagen in een formaat dat efficiënt toegankelijk is voor de shader. Een veelgebruikte aanpak is het gebruik van een Texture Buffer Object (TBO) of een Shader Storage Buffer Object (SSBO) in WebGL 2.0. De TBO slaat lichtindices of lichtgegevens op in een textuur, terwijl de SSBO flexibelere opslag- en toegangspatronen mogelijk maakt. TBO's worden breed ondersteund in WebGL1-implementaties via extensies, wat een bredere compatibiliteit biedt.

Twee hoofdmethoden zijn mogelijk:

• Compacte Lichtlijst: Slaat alleen de indices op van de lichten die aan elk cluster zijn toegewezen. Vereist een extra opzoekactie in een afzonderlijke lichtdatabuffer.
• Lichtdata in Cluster: Slaat lichteigenschappen (positie, kleur, intensiteit) rechtstreeks op in de clustergegevens. Vermijdt de extra opzoekactie, maar verbruikt meer geheugen.

            
// Voorbeeld met een Texture Buffer Object (TBO) en een compacte lichtlijst

// LightIndices: Array van lichtindices toegewezen aan elke cluster
// LightData: Array met de feitelijke lichtdata (positie, kleur, etc.)

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

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

// Haal de start- en eindindex op voor de lichtlijst in dit cluster
int startIndex = texelFetch(lightIndices, clusterIndex * 2).r; //Ervan uitgaande dat elke texel een enkele lichtindex is, en startIndex/endIndex sequentieel zijn ingepakt.
int endIndex = texelFetch(lightIndices, clusterIndex * 2 + 1).r;

for (int i = startIndex; i < endIndex; ++i) {
 int lightIndex = texelFetch(lightIndices, i).r;
 // Haal de feitelijke lichtdata op met behulp van de lightIndex
 vec4 lightPosition = texelFetch(lightData, lightIndex * NUM_LIGHT_PROPERTIES).rgba; //NUM_LIGHT_PROPERTIES zou een uniform zijn.
 ...
}

            

              
                Copy
              
            
          

4. Implementatie van de Fragment Shader

De fragment shader bepaalt het cluster waartoe het huidige fragment behoort en doorloopt vervolgens de lichtlijst voor dat cluster. De shader berekent de lichtbijdrage van elk toegewezen licht en accumuleert de resultaten.

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

// Bereken de clusterindex voor het huidige 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)) //Gaat uit van een logaritmische dieptebuffer.
);

//Zorg ervoor dat de clusterindex binnen het bereik blijft.
clusterIndex = clamp(clusterIndex, ivec3(0), numClusters - ivec3(1));

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

// Itereer door de lichtlijst voor het cluster
// (Benader lichtdata uit de TBO of SSBO afhankelijk van de implementatie)

// Voer lichtberekeningen uit voor elk licht


            

              
                Copy
              
            
          

Strategieën voor Prestatieoptimalisatie

De prestaties van clustered light assignment hangen sterk af van de efficiëntie van de implementatie. Er kunnen verschillende optimalisatietechnieken worden toegepast om de prestaties te verbeteren:

• Optimalisatie van Clustergrootte: De optimale clustergrootte hangt af van de complexiteit van de scène, de lichtdichtheid en de schermresolutie. Experimenteren met verschillende clustergroottes is cruciaal om de beste balans te vinden tussen de nauwkeurigheid van de lichttoewijzing en de shaderprestaties.
• Frustum Culling: Frustum culling kan worden gebruikt om lichten te elimineren die volledig buiten de view frustum vallen voordat het lichttoewijzingsproces begint.
• Licht Culling Technieken: Gebruik ruimtelijke datastructuren zoals octrees of KD-trees om licht culling te versnellen. Dit vermindert aanzienlijk het aantal lichten dat voor elk cluster moet worden overwogen.
• GPU-gebaseerde Lichttoewijzing: Het overdragen van het lichttoewijzingsproces naar de GPU met behulp van compute shaders (WebGL 2.0+) kan de prestaties aanzienlijk verbeteren, vooral voor scènes met een groot aantal dynamische lichten.
• Bitmask Optimalisatie: Representeer de zichtbaarheid van cluster-licht met bitmasks. Dit kan de cache-coherentie verbeteren en de vereisten voor geheugenbandbreedte verminderen.
• Shader-optimalisaties: Optimaliseer de fragment shader om het aantal instructies en geheugentoegangen te minimaliseren. Gebruik efficiënte datastructuren en algoritmen voor lichtberekeningen. Rol lussen uit waar dit gepast is.
• LOD (Level of Detail) voor Lichten: Verminder het aantal lichten dat wordt verwerkt voor objecten op afstand. Dit kan worden bereikt door lichtberekeningen te vereenvoudigen of door lichten volledig uit te schakelen.
• Temporele Coherentie: Maak gebruik van temporele coherentie door lichttoewijzingen van vorige frames opnieuw te gebruiken. Werk alleen de lichttoewijzingen bij voor lichten die aanzienlijk zijn verplaatst.
• Floating Point Precisie: Overweeg het gebruik van floating point-getallen met een lagere precisie (bijv. `mediump`) in de shader voor sommige lichtberekeningen, wat de prestaties op sommige GPU's kan verbeteren.
• Mobiele Optimalisatie: Optimaliseer voor mobiele apparaten door het aantal lichten te verminderen, shaders te vereenvoudigen en texturen met een lagere resolutie te gebruiken.

Voor- en Nadelen

Voordelen:

• Verbeterde Prestaties: Vermindert aanzienlijk het aantal lichtberekeningen dat per fragment nodig is, wat leidt tot betere prestaties in vergelijking met traditionele forward rendering.
• Schaalbaarheid: Schaalt goed naar scènes met een groot aantal dynamische lichten.
• Flexibiliteit: Kan worden gecombineerd met andere renderingtechnieken, zoals shadow mapping en ambient occlusion.

Nadelen:

• Complexiteit: Complexer om te implementeren dan traditionele forward rendering.
• Geheugen Overhead: Vereist extra geheugen om de clustergegevens en lichtlijsten op te slaan.
• Afstemming van Parameters: Vereist zorgvuldige afstemming van de clustergrootte en andere parameters om optimale prestaties te bereiken.

Alternatieven voor Clustered Lighting

Hoewel Clustered Lighting verschillende voordelen biedt, is het niet de enige oplossing voor het omgaan met dynamische verlichting. Er bestaan verschillende alternatieve technieken, elk met hun eigen afwegingen.

• Deferred Rendering: Rendert scène-informatie (normalen, diepte, etc.) naar G-buffers en voert lichtberekeningen uit in een afzonderlijke pass. Efficiënt voor een groot aantal statische lichten, maar kan bandbreedte-intensief en uitdagend zijn om te implementeren in WebGL, vooral op oudere hardware.
• Forward+ Rendering: Een variant van forward rendering die een compute shader gebruikt om een lichtraster vooraf te berekenen, vergelijkbaar met clustered lighting. Kan efficiënter zijn dan deferred rendering op sommige hardware.
• Tiled Deferred Rendering: Verdeelt het scherm in tegels en voert deferred lichtberekeningen uit voor elke tegel. Kan efficiënter zijn dan traditionele deferred rendering, vooral op mobiele apparaten.
• Light Indexed Deferred Rendering: Vergelijkbaar met tiled deferred rendering, maar gebruikt een lichtindex om efficiënt toegang te krijgen tot lichtgegevens.
• Precomputed Radiance Transfer (PRT): Berekent de verlichting voor statische objecten vooraf en slaat de resultaten op in een textuur. Efficiënt voor statische scènes met complexe verlichting, maar werkt niet goed met dynamische objecten.

Globaal Perspectief: Aanpasbaarheid over Platforms

De toepasbaarheid van clustered lighting varieert per platform en hardwareconfiguratie. Hoewel moderne desktop-GPU's complexe clustered lighting-implementaties gemakkelijk aankunnen, vereisen mobiele apparaten en systemen met lagere specificaties vaak agressievere optimalisatiestrategieën.

• Desktop-GPU's: Profiteren van hogere geheugenbandbreedte en verwerkingskracht, wat grotere clustergroottes en complexere shaders mogelijk maakt.
• Mobiele GPU's: Vereisen agressievere optimalisatie vanwege beperkte middelen. Kleinere clustergroottes, floating-point getallen met lagere precisie en eenvoudigere shaders zijn vaak noodzakelijk.
• WebGL-compatibiliteit: Zorg voor compatibiliteit met oudere WebGL-implementaties door de juiste extensies te gebruiken en functies te vermijden die alleen beschikbaar zijn in WebGL 2.0. Overweeg functiedetectie en fallback-strategieën voor oudere browsers.

Voorbeelden van Toepassingen

Clustered light assignment is geschikt voor een breed scala aan toepassingen, waaronder:

• Games: Het renderen van scènes met talloze dynamische lichten, zoals deeltjeseffecten, explosies en karakterverlichting. Stel je een bruisende marktplaats in Marrakech voor met honderden flikkerende lantaarns, die elk dynamische schaduwen werpen.
• Visualisaties: Het visualiseren van complexe datasets met dynamische lichteffecten, zoals medische beeldvorming en wetenschappelijke simulaties. Denk aan het simuleren van de lichtverdeling binnen een complexe industriële machine of een dichte stedelijke omgeving zoals Tokio.
• Virtual Reality (VR) en Augmented Reality (AR): Het renderen van realistische omgevingen met dynamische verlichting voor meeslepende ervaringen. Denk aan een VR-tour door een oud Egyptisch graf, compleet met flikkerend fakkellicht en dynamische schaduwen.
• Productconfiguratoren: Gebruikers in staat stellen om interactief producten te configureren met dynamische verlichting, zoals auto's en meubels. Een gebruiker die online een aangepaste auto ontwerpt, kan nauwkeurige reflecties en schaduwen zien op basis van de virtuele omgeving.

Praktische Inzichten

Hier zijn enkele praktische inzichten voor het implementeren en optimaliseren van clustered light assignment in WebGL:

• Begin met een eenvoudige implementatie: Start met een basisimplementatie van clustered light assignment en voeg geleidelijk optimalisaties toe waar nodig.
• Profileer je code: Gebruik WebGL-profileringstools om prestatieknelpunten te identificeren en richt je optimalisatie-inspanningen op de meest kritieke gebieden.
• Experimenteer met verschillende parameters: De optimale clustergrootte, het licht culling-algoritme en shader-optimalisaties hangen af van de specifieke scène en hardware. Experimenteer met verschillende parameters om de beste configuratie te vinden.
• Overweeg GPU-gebaseerde lichttoewijzing: Als je je richt op WebGL 2.0, overweeg dan het gebruik van compute shaders om het lichttoewijzingsproces naar de GPU te verplaatsen.
• Blijf up-to-date: Blijf op de hoogte van de nieuwste WebGL-best practices en optimalisatietechnieken om ervoor te zorgen dat je implementatie zo efficiënt mogelijk is.

Conclusie

WebGL Clustered Light Assignment biedt een krachtige en efficiënte oplossing voor het renderen van scènes met een groot aantal dynamische lichten. Door de view frustum op te delen in clusters en lichten toe te wijzen aan clusters op basis van hun ruimtelijke locatie, vermindert deze techniek aanzienlijk het aantal lichtberekeningen dat per fragment nodig is, wat leidt tot betere prestaties. Hoewel de implementatie complex kan zijn, maken de voordelen op het gebied van prestaties en schaalbaarheid het een waardevol hulpmiddel voor elke WebGL-ontwikkelaar die met dynamische verlichting werkt. De voortdurende evolutie van WebGL en GPU-hardware zal ongetwijfeld leiden tot verdere vooruitgang in clustered lighting-technieken, waardoor nog realistischere en meeslepende web-gebaseerde ervaringen mogelijk worden.

Vergeet niet om je code uitgebreid te profileren en te experimenteren met verschillende parameters om optimale prestaties te bereiken voor je specifieke toepassing en doelhardware.