Iluminação Diferida Agrupada WebGL: Gerenciamento Avançado de Iluminação

No domínio dos gráficos 3D em tempo real, a iluminação desempenha um papel fundamental na criação de cenas realistas e visualmente atraentes. Embora as abordagens tradicionais de renderização forward possam se tornar computacionalmente caras com um grande número de fontes de luz, a renderização diferida oferece uma alternativa atraente. A iluminação diferida agrupada leva isso um passo adiante, fornecendo uma solução eficiente e escalável para gerenciar cenários de iluminação complexos em aplicações WebGL.

Compreendendo a Renderização Diferida

Antes de mergulhar na iluminação diferida agrupada, é crucial entender os princípios básicos da renderização diferida. Diferente da renderização forward, que calcula a iluminação para cada fragmento (pixel) à medida que é rasterizado, a renderização diferida separa as passagens de geometria e iluminação. Aqui está um resumo:

1. Passagem de Geometria (Criação do G-Buffer): Na primeira passagem, a geometria da cena é renderizada em múltiplos alvos de renderização, coletivamente conhecidos como G-buffer. Este buffer tipicamente armazena informações como:
   • Profundidade: Distância da câmera até a superfície.
   • Normais: Orientação da superfície.
   • Albedo: Cor base da superfície.
   • Especular: Cor e intensidade do brilho especular.
2. Passagem de Iluminação: Na segunda passagem, o G-buffer é usado para calcular a contribuição de iluminação para cada pixel. Isso nos permite adiar os cálculos caros de iluminação até que tenhamos todas as informações de superfície necessárias.

A renderização diferida oferece várias vantagens:

• Redução de Overdraw: Os cálculos de iluminação são realizados apenas uma vez por pixel, independentemente do número de fontes de luz que o afetam.
• Cálculos de Iluminação Simplificados: Todas as informações de superfície necessárias estão prontamente disponíveis no G-buffer, simplificando as equações de iluminação.
• Geometria e Iluminação Desacopladas: Isso permite pipelines de renderização mais flexíveis e modulares.

No entanto, a renderização diferida padrão ainda pode enfrentar desafios ao lidar com um número muito grande de fontes de luz. É aqui que a iluminação diferida agrupada entra em cena.

Introdução à Iluminação Diferida Agrupada

A iluminação diferida agrupada é uma técnica de otimização que visa melhorar o desempenho da renderização diferida, particularmente em cenas com inúmeras fontes de luz. A ideia central é dividir o frustum de visão em uma grade de clusters 3D e atribuir luzes a esses clusters com base em sua localização espacial. Isso nos permite determinar eficientemente quais luzes afetam quais pixels durante a passagem de iluminação.

Como Funciona a Iluminação Diferida Agrupada

1. Subdivisão do Frustum de Visão: O frustum de visão é dividido em uma grade 3D de clusters. As dimensões desta grade (por exemplo, 16x9x16) determinam a granularidade do agrupamento.
2. Atribuição de Luzes: Cada fonte de luz é atribuída aos clusters que ela intercepta. Isso pode ser feito verificando o volume delimitador da luz em relação aos limites do cluster.
3. Criação da Lista de Luzes do Cluster: Para cada cluster, uma lista das luzes que o afetam é criada. Esta lista pode ser armazenada em um buffer ou textura.
4. Passagem de Iluminação: Durante a passagem de iluminação, para cada pixel, determinamos a qual cluster ele pertence e então iteramos sobre as luzes na lista de luzes desse cluster. Isso reduz significativamente o número de luzes que precisam ser consideradas para cada pixel.

Benefícios da Iluminação Diferida Agrupada

• Desempenho Aprimorado: Ao reduzir o número de luzes consideradas por pixel, a iluminação diferida agrupada pode melhorar significativamente o desempenho da renderização, especialmente em cenas com um grande número de fontes de luz.
• Escalabilidade: Os ganhos de desempenho tornam-se mais pronunciados à medida que o número de fontes de luz aumenta, tornando-a uma solução escalável para cenários de iluminação complexos.
• Overdraw Reduzido: Semelhante à renderização diferida padrão, a iluminação diferida agrupada reduz o overdraw realizando cálculos de iluminação apenas uma vez por pixel.

Implementando a Iluminação Diferida Agrupada no WebGL

A implementação da iluminação diferida agrupada no WebGL envolve várias etapas. Aqui está uma visão geral de alto nível do processo:

1. Criação do G-Buffer: Crie as texturas do G-buffer para armazenar as informações de superfície necessárias (profundidade, normais, albedo, especular). Isso tipicamente envolve o uso de múltiplos alvos de renderização (MRT).
2. Geração de Clusters: Defina a grade de clusters e calcule os limites dos clusters. Isso pode ser feito em JavaScript ou diretamente no shader.
3. Atribuição de Luzes (lado da CPU): Itere sobre as fontes de luz e atribua-as aos clusters apropriados. Isso é tipicamente feito na CPU, pois só precisa ser calculado quando as luzes se movem ou mudam. Considere usar uma estrutura de aceleração espacial (por exemplo, uma hierarquia de volume delimitador ou uma grade) para acelerar o processo de atribuição de luzes, especialmente com um grande número de luzes.
4. Criação da Lista de Luzes do Cluster (lado da GPU): Crie um buffer ou textura para armazenar as listas de luzes para cada cluster. Transfira os índices das luzes atribuídas a cada cluster da CPU para a GPU. Isso pode ser alcançado usando um objeto buffer de textura (TBO) ou um objeto buffer de armazenamento (SBO), dependendo da versão do WebGL e das extensões disponíveis.
5. Passagem de Iluminação (lado da GPU): Implemente o shader da passagem de iluminação que lê do G-buffer, determina o cluster para cada pixel e itera sobre as luzes na lista de luzes do cluster para calcular a cor final.

Exemplos de Código (GLSL)

Aqui estão alguns trechos de código ilustrando partes-chave da implementação. Nota: estes são exemplos simplificados e podem exigir ajustes com base em suas necessidades específicas.

Shader de Fragmento do G-Buffer

#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
}

Shader de Fragmento da Passagem de Iluminação

#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);
}

Considerações Importantes

• Tamanho do Cluster: A escolha do tamanho do cluster é crucial. Clusters menores proporcionam melhor descarte (culling), mas aumentam o número de clusters e a sobrecarga de gerenciamento das listas de luzes do cluster. Clusters maiores reduzem a sobrecarga, mas podem resultar em mais luzes sendo consideradas por pixel. A experimentação é fundamental para encontrar o tamanho ideal do cluster para sua cena.
• Otimização da Atribuição de Luzes: Otimizar o processo de atribuição de luzes é essencial para o desempenho. O uso de estruturas de dados espaciais (por exemplo, uma hierarquia de volume delimitador ou uma grade) pode acelerar significativamente o processo de localização dos clusters que uma luz intercepta.
• Largura de Banda da Memória: Fique atento à largura de banda da memória ao acessar o G-buffer e as listas de luzes do cluster. O uso de formatos de textura e técnicas de compressão apropriados pode ajudar a reduzir o uso da memória.
• Limitações do WebGL: Versões mais antigas do WebGL podem não possuir certos recursos (como objetos buffer de armazenamento). Considere usar extensões ou abordagens alternativas para armazenar as listas de luzes. Certifique-se de que sua implementação seja compatível com a versão WebGL alvo.
• Desempenho em Dispositivos Móveis: A iluminação diferida agrupada pode ser computacionalmente intensiva, particularmente em dispositivos móveis. Perfilar cuidadosamente seu código e otimizar para desempenho. Considere usar resoluções mais baixas ou modelos de iluminação simplificados em dispositivos móveis.

Técnicas de Otimização

Várias técnicas podem ser empregadas para otimizar ainda mais a iluminação diferida agrupada no WebGL:

• Culling de Frustum: Antes de atribuir luzes aos clusters, realize o culling de frustum para descartar luzes que estão completamente fora do frustum de visão.
• Culling de Backface: Descarte triângulos de face traseira durante a passagem de geometria para reduzir a quantidade de dados escritos no G-buffer.
• Nível de Detalhe (LOD): Use diferentes níveis de detalhe para seus modelos com base em sua distância da câmera. Isso pode reduzir significativamente a quantidade de geometria que precisa ser renderizada.
• Compressão de Textura: Use técnicas de compressão de textura (por exemplo, ASTC) para reduzir o tamanho de suas texturas e melhorar a largura de banda da memória.
• Otimização de Shader: Otimize seu código shader para reduzir o número de instruções e melhorar o desempenho. Isso inclui técnicas como loop unrolling, agendamento de instruções e minimização de ramificações.
• Iluminação Pré-calculada: Considere usar técnicas de iluminação pré-calculada (por exemplo, lightmaps ou harmônicos esféricos) para objetos estáticos a fim de reduzir os cálculos de iluminação em tempo real.
• Instanciamento de Hardware: Se você tiver múltiplas instâncias do mesmo objeto, use o instanciamento de hardware para renderizá-las de forma mais eficiente.

Alternativas e Trade-offs

Embora a iluminação diferida agrupada ofereça vantagens significativas, é essencial considerar alternativas e seus respectivos trade-offs:

• Renderização Forward: Embora menos eficiente com muitas luzes, a renderização forward pode ser mais simples de implementar e pode ser adequada para cenas com um número limitado de fontes de luz. Ela também permite transparência mais facilmente.
• Renderização Forward+: A renderização Forward+ é uma alternativa à renderização diferida que usa compute shaders para realizar o descarte de luzes antes da passagem de renderização forward. Isso pode oferecer benefícios de desempenho semelhantes à iluminação diferida agrupada. Pode ser mais complexa de implementar e pode exigir recursos de hardware específicos.
• Iluminação Diferida em Ladrilhos (Tiled Deferred Lighting): A iluminação diferida em ladrilhos divide a tela em ladrilhos 2D em vez de clusters 3D. Isso pode ser mais simples de implementar do que a iluminação diferida agrupada, mas pode ser menos eficiente para cenas com variação de profundidade significativa.

A escolha da técnica de renderização depende dos requisitos específicos de sua aplicação. Considere o número de fontes de luz, a complexidade da cena e o hardware alvo ao tomar sua decisão.

Conclusão

A iluminação diferida agrupada WebGL é uma técnica poderosa para gerenciar cenários de iluminação complexos em aplicações gráficas baseadas na web. Ao descartar luzes de forma eficiente e reduzir o overdraw, ela pode melhorar significativamente o desempenho e a escalabilidade da renderização. Embora a implementação possa ser complexa, os benefícios em termos de desempenho e qualidade visual a tornam um empreendimento que vale a pena para aplicações exigentes, como jogos, simulações e visualizações. A consideração cuidadosa do tamanho do cluster, otimização da atribuição de luzes e largura de banda da memória é crucial para alcançar resultados ótimos.

À medida que o WebGL continua a evoluir e as capacidades de hardware melhoram, a iluminação diferida agrupada provavelmente se tornará uma ferramenta cada vez mais importante para desenvolvedores que buscam criar experiências 3D baseadas na web visualmente impressionantes e de alto desempenho.

Recursos Adicionais

• Especificação WebGL: https://www.khronos.org/webgl/
• OpenGL Insights: Um livro com capítulos sobre técnicas avançadas de renderização, incluindo renderização diferida e sombreamento agrupado.
• Artigos de Pesquisa: Pesquise por artigos acadêmicos sobre iluminação diferida agrupada e tópicos relacionados no Google Scholar ou bancos de dados similares.