WebGL Clustered Deferred Lighting: Avansert Belysningshåndtering

I riket av sanntids 3D-grafikk spiller belysning en sentral rolle i å skape realistiske og visuelt tiltalende scener. Mens tradisjonelle forward rendering-tilnærminger kan bli beregningsmessig kostbare med et stort antall lyskilder, tilbyr deferred rendering et overbevisende alternativ. Clustered deferred lighting tar dette et skritt videre, og gir en effektiv og skalerbar løsning for å håndtere komplekse belysningsscenarier i WebGL-applikasjoner.

Forstå Deferred Rendering

Før du dykker ned i clustered deferred lighting, er det avgjørende å forstå kjerneprinsippene for deferred rendering. I motsetning til forward rendering, som beregner belysningen for hvert fragment (piksel) når det rasteriseres, skiller deferred rendering geometri- og belysningspassene. Her er en oversikt:

1. Geometri Pass (G-Buffer Opprettelse): I det første passet blir scenens geometri gjengitt til flere render targets, samlet kjent som G-bufferen. Denne bufferen lagrer vanligvis informasjon som:
• Dybde: Avstand fra kameraet til overflaten.
• Normaler: Overflateorientering.
• Albedo: Basisfarge på overflaten.
• Specular: Specular highlight farge og intensitet.
2. Belysnings Pass: I det andre passet brukes G-bufferen til å beregne belysningsbidraget for hver piksel. Dette lar oss utsette de kostbare belysningsberegningene til vi har all nødvendig overflateinformasjon.

Deferred rendering tilbyr flere fordeler:

• Redusert Overdraw: Belysningsberegninger utføres bare én gang per piksel, uavhengig av antall lyskilder som påvirker den.
• Forenklede Belysningsberegninger: All nødvendig overflateinformasjon er lett tilgjengelig i G-bufferen, noe som forenkler belysningsligningene.
• Frakoblet Geometri og Belysning: Dette gir mer fleksible og modulære rendering pipelines.

Imidlertid kan standard deferred rendering fortsatt møte utfordringer når man arbeider med et veldig stort antall lyskilder. Det er her clustered deferred lighting kommer inn i bildet.

Introduserer Clustered Deferred Lighting

Clustered deferred lighting er en optimaliseringsteknikk som tar sikte på å forbedre ytelsen til deferred rendering, spesielt i scener med mange lyskilder. Hovedideen er å dele view frustum inn i et rutenett av 3D-klynger og tildele lys til disse klyngene basert på deres romlige plassering. Dette lar oss effektivt bestemme hvilke lys som påvirker hvilke piksler under belysningspasset.

Hvordan Clustered Deferred Lighting Fungerer

1. View Frustum Underdeling: View frustum er delt inn i et 3D-rutenett av klynger. Dimensjonene til dette rutenettet (f.eks. 16x9x16) bestemmer granulariteten til klyngedannelsen.
2. Lys Tildeling: Hver lyskilde er tildelt klyngene den krysser. Dette kan gjøres ved å sjekke lysets bounding volume mot klyngegrenser.
3. Klynge Lysliste Opprettelse: For hver klynge opprettes en liste over lysene som påvirker den. Denne listen kan lagres i en buffer eller tekstur.
4. Belysnings Pass: Under belysningspasset, for hver piksel, bestemmer vi hvilken klynge den tilhører og deretter itererer vi over lysene i den klyngens lysliste. Dette reduserer betydelig antall lys som må vurderes for hver piksel.

Fordeler med Clustered Deferred Lighting

• Forbedret Ytelse: Ved å redusere antall lys som vurderes per piksel, kan clustered deferred lighting forbedre rendering ytelsen betydelig, spesielt i scener med et stort antall lyskilder.
• Skalerbarhet: Ytelsesforbedringene blir mer uttalt etter hvert som antall lyskilder øker, noe som gjør det til en skalerbar løsning for komplekse belysningsscenarier.
• Redusert Overdraw: I likhet med standard deferred rendering reduserer clustered deferred lighting overdraw ved å utføre belysningsberegninger bare én gang per piksel.

Implementere Clustered Deferred Lighting i WebGL

Implementering av clustered deferred lighting i WebGL innebærer flere trinn. Her er en oversikt på høyt nivå over prosessen:

1. G-Buffer Opprettelse: Opprett G-buffer teksturene for å lagre nødvendig overflateinformasjon (dybde, normaler, albedo, specular). Dette innebærer vanligvis bruk av flere render targets (MRT).
2. Klyngegenerering: Definer klyngerutenettet og beregne klyngegrensene. Dette kan gjøres i JavaScript eller direkte i shaderen.
3. Lys Tildeling (CPU-side): Iterer over lyskildene og tildel dem til de riktige klyngene. Dette gjøres vanligvis på CPU-en siden det bare trenger å beregnes når lys beveger seg eller endres. Vurder å bruke en romlig akselerasjonsstruktur (f.eks. et bounding volume hierarchy eller et rutenett) for å fremskynde lys tildelingsprosessen, spesielt med et stort antall lys.
4. Klynge Lysliste Opprettelse (GPU-side): Opprett en buffer eller tekstur for å lagre lyslistene for hver klynge. Overfør lysindeksene som er tildelt hver klynge fra CPU-en til GPU-en. Dette kan oppnås ved hjelp av et texture buffer object (TBO) eller et storage buffer object (SBO), avhengig av WebGL-versjonen og tilgjengelige utvidelser.
5. Belysnings Pass (GPU-side): Implementer belysningspass shaderen som leser fra G-bufferen, bestemmer klyngen for hver piksel og itererer over lysene i klyngens lysliste for å beregne den endelige fargen.

Kodeeksempler (GLSL)

Her er noen kodebiter som illustrerer viktige deler av implementeringen. Merk: disse er forenklede eksempler og kan kreve justeringer basert på dine spesifikke behov.

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
}

Belysnings 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);
}

Viktige Hensyn

• Klyngestørrelse: Valget av klyngestørrelse er avgjørende. Mindre klynger gir bedre culling, men øker antall klynger og overhead av å administrere klyngelyslistene. Større klynger reduserer overhead, men kan føre til at flere lys vurderes per piksel. Eksperimentering er nøkkelen til å finne den optimale klyngestørrelsen for din scene.
• Lys Tildelingsoptimalisering: Optimalisering av lys tildelingsprosessen er avgjørende for ytelsen. Bruk av romlige datastrukturer (f.eks. et bounding volume hierarchy eller et rutenett) kan fremskynde prosessen med å finne hvilke klynger et lys krysser betydelig.
• Minnebåndbredde: Vær oppmerksom på minnebåndbredde når du får tilgang til G-bufferen og klyngelyslistene. Bruk av passende teksturformater og komprimeringsteknikker kan bidra til å redusere minnebruken.
• WebGL Begrensninger: Eldre WebGL-versjoner kan mangle visse funksjoner (som storage buffer objects). Vurder å bruke utvidelser eller alternative tilnærminger for å lagre lyslistene. Forsikre deg om at implementeringen din er kompatibel med mål WebGL-versjonen.
• Mobil Ytelse: Clustered deferred lighting kan være beregningsmessig intensiv, spesielt på mobile enheter. Profiler koden din nøye og optimaliser for ytelse. Vurder å bruke lavere oppløsninger eller forenklede belysningsmodeller på mobil.

Optimaliseringsteknikker

Flere teknikker kan brukes for å ytterligere optimalisere clustered deferred lighting i WebGL:

• Frustum Culling: Før du tildeler lys til klynger, utfør frustum culling for å forkaste lys som er helt utenfor view frustum.
• Backface Culling: Cull backfacing trekanter under geometripasset for å redusere mengden data som skrives til G-bufferen.
• Level of Detail (LOD): Bruk forskjellige detaljnivåer for modellene dine basert på avstanden fra kameraet. Dette kan redusere mengden geometri som må gjengis betydelig.
• Teksturkomprimering: Bruk teksturkomprimeringsteknikker (f.eks. ASTC) for å redusere størrelsen på teksturene dine og forbedre minnebåndbredden.
• Shaderoptimalisering: Optimaliser shaderkoden din for å redusere antall instruksjoner og forbedre ytelsen. Dette inkluderer teknikker som loop unrolling, instruksjonsplanlegging og minimering av branching.
• Precomputed Lighting: Vurder å bruke precomputed lighting teknikker (f.eks. lightmaps eller spherical harmonics) for statiske objekter for å redusere sanntids belysningsberegninger.
• Hardware Instancing: Hvis du har flere forekomster av det samme objektet, bruk hardware instancing for å gjengi dem mer effektivt.

Alternativer og Avveininger

Mens clustered deferred lighting tilbyr betydelige fordeler, er det viktig å vurdere alternativer og deres respektive avveininger:

• Forward Rendering: Selv om det er mindre effektivt med mange lys, kan forward rendering være enklere å implementere og kan være egnet for scener med et begrenset antall lyskilder. Det gir også mulighet for transparens lettere.
• Forward+ Rendering: Forward+ rendering er et alternativ til deferred rendering som bruker compute shaders for å utføre light culling før forward rendering passet. Dette kan gi lignende ytelsesfordeler som clustered deferred lighting. Det kan være mer komplekst å implementere og kan kreve spesifikke maskinvarefunksjoner.
• Tiled Deferred Lighting: Tiled deferred lighting deler skjermen inn i 2D-fliser i stedet for 3D-klynger. Dette kan være enklere å implementere enn clustered deferred lighting, men det kan være mindre effektivt for scener med betydelig dybdevariasjon.

Valget av rendering teknikk avhenger av de spesifikke kravene til applikasjonen din. Vurder antall lyskilder, kompleksiteten i scenen og målmaskinvaren når du tar din beslutning.

Konklusjon

WebGL clustered deferred lighting er en kraftig teknikk for å håndtere komplekse belysningsscenarier i webbaserte grafikkapplikasjoner. Ved å effektivt culling lys og redusere overdraw, kan det forbedre rendering ytelsen og skalerbarheten betydelig. Mens implementeringen kan være kompleks, gjør fordelene i form av ytelse og visuell kvalitet det til en verdifull innsats for krevende applikasjoner som spill, simuleringer og visualiseringer. Nøye vurdering av klyngestørrelse, lys tildelingsoptimalisering og minnebåndbredde er avgjørende for å oppnå optimale resultater.

Etter hvert som WebGL fortsetter å utvikle seg og maskinvarefunksjonene forbedres, vil clustered deferred lighting sannsynligvis bli et stadig viktigere verktøy for utviklere som ønsker å skape visuelt imponerende og performante webbaserte 3D-opplevelser.

Videre Ressurser

• WebGL Specification: https://www.khronos.org/webgl/
• OpenGL Insights: En bok med kapitler om avanserte rendering teknikker, inkludert deferred rendering og clustered shading.
• Research Papers: Søk etter akademiske artikler om clustered deferred lighting og relaterte emner på Google Scholar eller lignende databaser.