WebGL Clustered Deferred Lighting: Geavanceerd Verlichtingsbeheer

In de wereld van real-time 3D-graphics speelt verlichting een cruciale rol bij het creëren van realistische en visueel aantrekkelijke scènes. Hoewel traditionele forward rendering-benaderingen rekenkundig duur kunnen worden met een groot aantal lichtbronnen, biedt deferred rendering een aantrekkelijk alternatief. Clustered deferred lighting gaat nog een stap verder en biedt een efficiënte en schaalbare oplossing voor het beheren van complexe verlichtingsscenario's in WebGL-applicaties.

Deferred Rendering Begrijpen

Voordat we ingaan op clustered deferred lighting, is het cruciaal om de kernprincipes van deferred rendering te begrijpen. In tegenstelling tot forward rendering, dat de verlichting voor elk fragment (pixel) berekent terwijl het wordt gerasteriseerd, scheidt deferred rendering de geometrie- en verlichtingspasses. Hier is een overzicht:

1. Geometrie Pass (G-Buffer Creatie): In de eerste pass wordt de geometrie van de scène gerenderd naar meerdere render targets, gezamenlijk bekend als de G-buffer. Deze buffer slaat doorgaans informatie op zoals:
   • Diepte: Afstand van de camera tot het oppervlak.
   • Normalen: Oppervlakteoriëntatie.
   • Albedo: Basiskleur van het oppervlak.
   • Speculair: Speculaire highlightkleur en intensiteit.
2. Verlichtings Pass: In de tweede pass wordt de G-buffer gebruikt om de verlichtingsbijdrage voor elke pixel te berekenen. Dit stelt ons in staat om de dure verlichtingsberekeningen uit te stellen totdat we alle benodigde oppervlakte-informatie hebben.

Deferred rendering biedt verschillende voordelen:

• Verminderde Overdraw: Verlichtingsberekeningen worden slechts één keer per pixel uitgevoerd, ongeacht het aantal lichtbronnen dat deze beïnvloedt.
• Vereenvoudigde Verlichtingsberekeningen: Alle benodigde oppervlakte-informatie is direct beschikbaar in de G-buffer, wat de verlichtingsvergelijkingen vereenvoudigt.
• Ontkoppelde Geometrie en Verlichting: Dit maakt flexibelere en modulaire renderingpijplijnen mogelijk.

Standaard deferred rendering kan echter nog steeds problemen ondervinden bij het omgaan met een zeer groot aantal lichtbronnen. Dit is waar clustered deferred lighting van pas komt.

Introductie van Clustered Deferred Lighting

Clustered deferred lighting is een optimalisatietechniek die tot doel heeft de prestaties van deferred rendering te verbeteren, met name in scènes met talrijke lichtbronnen. Het kernidee is om het kijkfrustum te verdelen in een raster van 3D-clusters en lichten toe te wijzen aan deze clusters op basis van hun ruimtelijke locatie. Dit stelt ons in staat om efficiënt te bepalen welke lichten welke pixels beïnvloeden tijdens de verlichtingspass.

Hoe Clustered Deferred Lighting Werkt

1. View Frustum Onderverdeling: Het kijkfrustum wordt verdeeld in een 3D-raster van clusters. De afmetingen van dit raster (bijv. 16x9x16) bepalen de granulariteit van de clustering.
2. Lichttoewijzing: Elke lichtbron wordt toegewezen aan de clusters die deze snijdt. Dit kan worden gedaan door het bounding volume van het licht te controleren tegen de clustergrenzen.
3. Cluster Lichtlijst Creatie: Voor elk cluster wordt een lijst gemaakt van de lichten die het beïnvloeden. Deze lijst kan worden opgeslagen in een buffer of textuur.
4. Verlichtings Pass: Tijdens de verlichtingspass bepalen we voor elke pixel tot welk cluster deze behoort en doorlopen we vervolgens de lichten in de lichtlijst van dat cluster. Dit vermindert aanzienlijk het aantal lichten dat voor elke pixel moet worden overwogen.

Voordelen van Clustered Deferred Lighting

• Verbeterde Prestaties: Door het aantal lichten per pixel te verminderen, kan clustered deferred lighting de renderingprestaties aanzienlijk verbeteren, vooral in scènes met een groot aantal lichtbronnen.
• Schaalbaarheid: De prestatiewinst wordt duidelijker naarmate het aantal lichtbronnen toeneemt, waardoor het een schaalbare oplossing is voor complexe verlichtingsscenario's.
• Verminderde Overdraw: Net als bij standaard deferred rendering vermindert clustered deferred lighting overdraw door verlichtingsberekeningen slechts één keer per pixel uit te voeren.

Clustered Deferred Lighting Implementeren in WebGL

Het implementeren van clustered deferred lighting in WebGL omvat verschillende stappen. Hier is een algemeen overzicht van het proces:

1. G-Buffer Creatie: Creëer de G-buffer texturen om de benodigde oppervlakte-informatie op te slaan (diepte, normalen, albedo, speculair). Dit omvat doorgaans het gebruik van meerdere render targets (MRT).
2. Cluster Generatie: Definieer het clustergrid en bereken de clustergrenzen. Dit kan worden gedaan in JavaScript of direct in de shader.
3. Lichttoewijzing (CPU-zijde): Doorloop de lichtbronnen en wijs ze toe aan de juiste clusters. Dit wordt doorgaans op de CPU gedaan, aangezien het alleen berekend hoeft te worden wanneer lichten bewegen of veranderen. Overweeg het gebruik van een ruimtelijke versnellingsstructuur (bijv. een bounding volume hiërarchie of een raster) om het lichttoewijzingsproces te versnellen, vooral bij een groot aantal lichten.
4. Cluster Lichtlijst Creatie (GPU-zijde): Creëer een buffer of textuur om de lichtlijsten voor elk cluster op te slaan. Breng de lichtindices die aan elk cluster zijn toegewezen over van de CPU naar de GPU. Dit kan worden bereikt met behulp van een texture buffer object (TBO) of een storage buffer object (SBO), afhankelijk van de WebGL-versie en beschikbare extensies.
5. Verlichtings Pass (GPU-zijde): Implementeer de verlichtings pass shader die leest uit de G-buffer, het cluster voor elke pixel bepaalt, en over de lichten in de lichtlijst van het cluster itereert om de uiteindelijke kleur te berekenen.

Codevoorbeelden (GLSL)

Hier zijn enkele codefragmenten die belangrijke onderdelen van de implementatie illustreren. Opmerking: dit zijn vereenvoudigde voorbeelden en vereisen mogelijk aanpassingen op basis van uw specifieke behoeften.

G-Buffer Fragment Shader

#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
}

Verlichtings Pass Fragment Shader

#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);
}

Belangrijke Overwegingen

• Clustergrootte: De keuze van de clustergrootte is cruciaal. Kleinere clusters zorgen voor betere culling, maar verhogen het aantal clusters en de overhead van het beheren van de clusterlichtlijsten. Grotere clusters verminderen de overhead, maar kunnen leiden tot meer lichten die per pixel worden overwogen. Experimenteren is de sleutel tot het vinden van de optimale clustergrootte voor uw scène.
• Optimalisatie van lichttoewijzing: Het optimaliseren van het lichttoewijzingsproces is essentieel voor de prestaties. Het gebruik van ruimtelijke datastructuren (bijv. een bounding volume hiërarchie of een raster) kan het proces van het vinden welke clusters een licht snijdt aanzienlijk versnellen.
• Geheugenbandbreedte: Houd rekening met de geheugenbandbreedte bij het openen van de G-buffer en de clusterlichtlijsten. Het gebruik van geschikte textuurformaten en compressietechnieken kan helpen het geheugenverbruik te verminderen.
• WebGL Beperkingen: Oudere WebGL-versies missen mogelijk bepaalde functies (zoals storage buffer objects). Overweeg het gebruik van extensies of alternatieve benaderingen om de lichtlijsten op te slaan. Zorg ervoor dat uw implementatie compatibel is met de doel-WebGL-versie.
• Mobiele Prestaties: Clustered deferred lighting kan rekenkundig intensief zijn, vooral op mobiele apparaten. Profileer uw code zorgvuldig en optimaliseer deze voor prestaties. Overweeg het gebruik van lagere resoluties of vereenvoudigde verlichtingsmodellen op mobiel.

Optimalisatietechnieken

Verschillende technieken kunnen worden toegepast om clustered deferred lighting in WebGL verder te optimaliseren:

• Frustum Culling: Voordat lichten aan clusters worden toegewezen, voert u frustum culling uit om lichten te negeren die zich volledig buiten het kijkfrustum bevinden.
• Backface Culling: Verwijder backfacing driehoeken tijdens de geometrie-pass om de hoeveelheid gegevens die naar de G-buffer wordt geschreven te verminderen.
• Level of Detail (LOD): Gebruik verschillende detailniveaus voor uw modellen op basis van hun afstand tot de camera. Dit kan de hoeveelheid geometrie die moet worden gerenderd aanzienlijk verminderen.
• Textuurcompressie: Gebruik textuurcompressietechnieken (bijv. ASTC) om de grootte van uw texturen te verminderen en de geheugenbandbreedte te verbeteren.
• Shader Optimalisatie: Optimaliseer uw shadercode om het aantal instructies te verminderen en de prestaties te verbeteren. Dit omvat technieken zoals loop unrolling, instruction scheduling en het minimaliseren van vertakkingen.
• Vooraf berekende Verlichting: Overweeg het gebruik van vooraf berekende verlichtingstechnieken (bijv. lightmaps of sferische harmonischen) voor statische objecten om de real-time verlichtingsberekeningen te verminderen.
• Hardware Instancing: Als u meerdere instanties van hetzelfde object heeft, gebruik dan hardware instancing om ze efficiënter te renderen.

Alternatieven en Afwegingen

Hoewel clustered deferred lighting aanzienlijke voordelen biedt, is het essentieel om alternatieven en hun respectievelijke afwegingen te overwegen:

• Forward Rendering: Hoewel minder efficiënt met veel lichten, kan forward rendering eenvoudiger te implementeren zijn en geschikt zijn voor scènes met een beperkt aantal lichtbronnen. Het maakt ook transparantie gemakkelijker mogelijk.
• Forward+ Rendering: Forward+ rendering is een alternatief voor deferred rendering dat compute shaders gebruikt om licht-culling uit te voeren vóór de forward rendering pass. Dit kan vergelijkbare prestatievoordelen bieden als clustered deferred lighting. Het kan complexer zijn om te implementeren en kan specifieke hardwarefuncties vereisen.
• Tiled Deferred Lighting: Tiled deferred lighting verdeelt het scherm in 2D-tegels in plaats van 3D-clusters. Dit kan eenvoudiger te implementeren zijn dan clustered deferred lighting, maar het kan minder efficiënt zijn voor scènes met aanzienlijke dieptevariatie.

De keuze van de renderingtechniek hangt af van de specifieke vereisten van uw applicatie. Overweeg het aantal lichtbronnen, de complexiteit van de scène en de doelhardware bij het nemen van uw beslissing.

Conclusie

WebGL clustered deferred lighting is een krachtige techniek voor het beheren van complexe verlichtingsscenario's in webgebaseerde grafische applicaties. Door lichten efficiënt te cull-en en overdraw te verminderen, kan het de renderingprestaties en schaalbaarheid aanzienlijk verbeteren. Hoewel de implementatie complex kan zijn, maken de voordelen op het gebied van prestaties en visuele kwaliteit het een waardevolle onderneming voor veeleisende applicaties zoals games, simulaties en visualisaties. Zorgvuldige overweging van clustergrootte, optimalisatie van lichttoewijzing en geheugenbandbreedte is cruciaal voor het behalen van optimale resultaten.

Naarmate WebGL blijft evolueren en hardwaremogelijkheden verbeteren, zal clustered deferred lighting waarschijnlijk een steeds belangrijker instrument worden voor ontwikkelaars die visueel verbluffende en goed presterende webgebaseerde 3D-ervaringen willen creëren.

Verdere Bronnen

• WebGL Specificatie: https://www.khronos.org/webgl/
• OpenGL Insights: Een boek met hoofdstukken over geavanceerde renderingtechnieken, inclusief deferred rendering en clustered shading.
• Onderzoeksartikelen: Zoek naar academische artikelen over clustered deferred lighting en gerelateerde onderwerpen op Google Scholar of vergelijkbare databases.