Klasterové odložené osvetlenie vo WebGL: Pokročilá správa iluminácie

V oblasti real-time 3D grafiky hrá osvetlenie kľúčovú úlohu pri vytváraní realistických a vizuálne príťažlivých scén. Zatiaľ čo tradičné metódy dopredného renderovania (forward rendering) sa môžu stať výpočtovo náročnými pri veľkom počte svetelných zdrojov, odložené renderovanie (deferred rendering) ponúka presvedčivú alternatívu. Klasterové odložené osvetlenie posúva tento koncept ešte ďalej a poskytuje efektívne a škálovateľné riešenie pre správu zložitých svetelných scenárov v aplikáciách WebGL.

Pochopenie odloženého renderovania

Predtým, ako sa ponoríme do klasterového odloženého osvetlenia, je nevyhnutné pochopiť základné princípy odloženého renderovania. Na rozdiel od dopredného renderovania, ktoré vypočítava osvetlenie pre každý fragment (pixel) počas jeho rasterizácie, odložené renderovanie oddeľuje fázu geometrie a fázu osvetlenia. Tu je prehľad:

1. Fáza geometrie (Vytvorenie G-Buffer): V prvej fáze sa geometria scény renderuje do viacerých renderovacích cieľov, kolektívne známych ako G-buffer. Tento buffer zvyčajne ukladá informácie ako:
   • Hĺbka: Vzdialenosť od kamery k povrchu.
   • Normály: Orientácia povrchu.
   • Albedo: Základná farba povrchu.
   • Specular: Farba a intenzita zrkadlového odlesku.
2. Fáza osvetlenia: V druhej fáze sa G-buffer používa na výpočet príspevku osvetlenia pre každý pixel. To nám umožňuje odložiť náročné výpočty osvetlenia, až kým nemáme všetky potrebné informácie o povrchu.

Odložené renderovanie ponúka niekoľko výhod:

• Redukovaný overdraw: Výpočty osvetlenia sa vykonávajú iba raz na pixel, bez ohľadu na počet svetelných zdrojov, ktoré ho ovplyvňujú.
• Zjednodušené výpočty osvetlenia: Všetky potrebné informácie o povrchu sú okamžite dostupné v G-bufferi, čo zjednodušuje rovnice osvetlenia.
• Oddelená geometria a osvetlenie: To umožňuje flexibilnejšie a modulárnejšie renderovacie kanály.

Štandardné odložené renderovanie však môže stále čeliť problémom pri spracovaní veľmi veľkého počtu svetelných zdrojov. A práve tu prichádza na rad klasterové odložené osvetlenie.

Predstavenie klasterového odloženého osvetlenia

Klasterové odložené osvetlenie je optimalizačná technika, ktorej cieľom je zlepšiť výkon odloženého renderovania, najmä v scénach s veľkým počtom svetelných zdrojov. Hlavnou myšlienkou je rozdeliť zorné pole (view frustum) na mriežku 3D klastrov a priradiť svetlá týmto klastrom na základe ich priestorovej polohy. To nám umožňuje efektívne určiť, ktoré svetlá ovplyvňujú ktoré pixely počas fázy osvetlenia.

Ako funguje klasterové odložené osvetlenie

1. Rozdelenie zorného poľa: Zorné pole sa rozdelí na 3D mriežku klastrov. Rozmery tejto mriežky (napr. 16x9x16) určujú granularitu klastrovania.
2. Priradenie svetiel: Každý svetelný zdroj sa priradí klastrom, s ktorými sa pretína. To sa dá urobiť kontrolou ohraničujúceho objemu (bounding volume) svetla oproti hraniciam klastra.
3. Vytvorenie zoznamu svetiel pre klaster: Pre každý klaster sa vytvorí zoznam svetiel, ktoré ho ovplyvňujú. Tento zoznam môže byť uložený v bufferi alebo textúre.
4. Fáza osvetlenia: Počas fázy osvetlenia pre každý pixel určíme, do ktorého klastra patrí, a následne iterujeme cez svetlá v zozname svetiel daného klastra. Tým sa výrazne znižuje počet svetiel, ktoré je potrebné zvážiť pre každý pixel.

Výhody klasterového odloženého osvetlenia

• Zvýšený výkon: Znížením počtu zvažovaných svetiel na pixel môže klasterové odložené osvetlenie výrazne zlepšiť výkon renderovania, najmä v scénach s veľkým počtom svetelných zdrojov.
• Škálovateľnosť: Zvýšenie výkonu je výraznejšie s rastúcim počtom svetelných zdrojov, čo z neho robí škálovateľné riešenie pre zložité svetelné scenáre.
• Redukovaný overdraw: Podobne ako štandardné odložené renderovanie, aj klasterové odložené osvetlenie znižuje overdraw vykonávaním výpočtov osvetlenia iba raz na pixel.

Implementácia klasterového odloženého osvetlenia vo WebGL

Implementácia klasterového odloženého osvetlenia vo WebGL zahŕňa niekoľko krokov. Tu je prehľad procesu na vysokej úrovni:

1. Vytvorenie G-Buffer: Vytvorte textúry G-buffer na uloženie potrebných informácií o povrchu (hĺbka, normály, albedo, specular). To zvyčajne zahŕňa použitie viacerých renderovacích cieľov (MRT).
2. Generovanie klastrov: Definujte mriežku klastrov a vypočítajte ich hranice. To sa dá urobiť v JavaScripte alebo priamo v shaderi.
3. Priradenie svetiel (na strane CPU): Iterujte cez svetelné zdroje a priraďte ich k príslušným klastrom. Toto sa zvyčajne robí na CPU, pretože sa to musí vypočítať iba vtedy, keď sa svetlá pohybujú alebo menia. Zvážte použitie priestorovej akceleračnej štruktúry (napr. hierarchia ohraničujúcich objemov alebo mriežka) na urýchlenie procesu priraďovania svetiel, najmä pri veľkom počte svetiel.
4. Vytvorenie zoznamu svetiel pre klaster (na strane GPU): Vytvorte buffer alebo textúru na uloženie zoznamov svetiel pre každý klaster. Preneste indexy svetiel priradených každému klastru z CPU na GPU. To sa dá dosiahnuť pomocou texture buffer object (TBO) alebo storage buffer object (SBO), v závislosti od verzie WebGL a dostupných rozšírení.
5. Fáza osvetlenia (na strane GPU): Implementujte shader pre fázu osvetlenia, ktorý číta z G-bufferu, určuje klaster pre každý pixel a iteruje cez svetlá v zozname svetiel daného klastra na výpočet výslednej farby.

Príklady kódu (GLSL)

Tu sú niektoré úryvky kódu, ktoré ilustrujú kľúčové časti implementácie. Poznámka: ide o zjednodušené príklady a môžu vyžadovať úpravy podľa vašich špecifických potrieb.

Fragment Shader pre 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); // Príklad špekulárnej farby a lesklosti
}

Fragment Shader pre fázu osvetlenia

#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 //Príklad, musí byť definované a konzistentné

// Funkcia na rekonštrukciu svetovej pozície z hĺbky a súradníc obrazovky
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;
}

// Funkcia na výpočet indexu klastra na základe svetovej pozície
int calculateClusterIndex(vec3 worldPosition) {
    // Transformácia svetovej pozície do priestoru pohľadu (view space)
    vec4 viewSpacePosition = uInverseViewMatrix * vec4(worldPosition, 1.0);

    // Výpočet normalizovaných súradníc zariadenia (NDC)
    vec3 ndcPosition = viewSpacePosition.xyz / viewSpacePosition.w; //Perspective divide

    //Transformácia do rozsahu [0, 1]
    vec3 normalizedPosition = ndcPosition * 0.5 + 0.5;

    // Orezanie, aby sa predišlo prístupu mimo rozsahu
    normalizedPosition = clamp(normalizedPosition, vec3(0.0), vec3(1.0));

    // Výpočet indexu klastra
    int clusterX = int(normalizedPosition.x * float(uClusterGridSizeX));
    int clusterY = int(normalizedPosition.y * float(uClusterGridSizeY));
    int clusterZ = int(normalizedPosition.z * float(uClusterGridSizeZ));

    // Výpočet 1D indexu
    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; // zjednodušená intenzita odlesku


  // Rekonštrukcia svetovej pozície z hĺbky
  vec3 worldPosition = reconstructWorldPosition(depth, vTexCoord);

  // Výpočet indexu klastra
  int clusterIndex = calculateClusterIndex(worldPosition);

  // Určenie začiatočného a koncového indexu zoznamu svetiel pre tento klaster
    int lightListOffset = clusterIndex * 2; // Za predpokladu, že každý klaster ukladá začiatočný a koncový index
    int startLightIndex = int(texelFetch(uLightListBuffer, lightListOffset).r * float(MAX_LIGHTS)); //Normalizácia indexov svetiel na [0, MAX_LIGHTS]
    int numLightsInCluster = int(texelFetch(uLightListBuffer, lightListOffset + 1).r * float(MAX_LIGHTS));


  // Akumulácia príspevkov osvetlenia
  vec3 finalColor = vec3(0.0);
  for (int i = 0; i < numLightsInCluster; ++i) {
        int lightIndex = startLightIndex + i;
        if (lightIndex >= MAX_LIGHTS) break; // Bezpečnostná kontrola, aby sa predišlo prístupu mimo rozsahu

        vec3 lightPosition = uLightPositions[lightIndex];
        vec3 lightColor = uLightColors[lightIndex];

        vec3 lightDirection = normalize(lightPosition - worldPosition);
        float distanceToLight = length(lightPosition - worldPosition);

        //Jednoduché difúzne osvetlenie
        float diffuseIntensity = max(dot(normal, lightDirection), 0.0);
        vec3 diffuse = diffuseIntensity * lightColor * albedo;

        //Jednoduché špekulárne osvetlenie
        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); // Jednoduché zoslabenie (attenuation)


        finalColor += (diffuse + specular) * attenuation;
  }

  outColor = vec4(finalColor, 1.0);
}

Dôležité aspekty

• Veľkosť klastra: Voľba veľkosti klastra je kľúčová. Menšie klastre poskytujú lepšie vyraďovanie (culling), ale zvyšujú počet klastrov a réžiu spojenú so správou zoznamov svetiel. Väčšie klastre znižujú réžiu, ale môžu viesť k tomu, že sa pre každý pixel zvažuje viac svetiel. Experimentovanie je kľúčom k nájdeniu optimálnej veľkosti klastra pre vašu scénu.
• Optimalizácia priraďovania svetiel: Optimalizácia procesu priraďovania svetiel je nevyhnutná pre výkon. Použitie priestorových dátových štruktúr (napr. hierarchia ohraničujúcich objemov alebo mriežka) môže výrazne urýchliť proces hľadania, ktoré klastre svetlo pretína.
• Priepustnosť pamäte: Dávajte pozor na priepustnosť pamäte pri prístupe k G-bufferu a zoznamom svetiel klastrov. Použitie vhodných formátov textúr a kompresných techník môže pomôcť znížiť využitie pamäte.
• Obmedzenia WebGL: Staršie verzie WebGL môžu postrádať niektoré funkcie (ako napríklad storage buffer objects). Zvážte použitie rozšírení alebo alternatívnych prístupov na ukladanie zoznamov svetiel. Uistite sa, že vaša implementácia je kompatibilná s cieľovou verziou WebGL.
• Výkon na mobilných zariadeniach: Klasterové odložené osvetlenie môže byť výpočtovo náročné, najmä na mobilných zariadeniach. Dôkladne profilujte svoj kód a optimalizujte ho pre výkon. Zvážte použitie nižších rozlíšení alebo zjednodušených modelov osvetlenia na mobilných zariadeniach.

Optimalizačné techniky

Na ďalšiu optimalizáciu klasterového odloženého osvetlenia vo WebGL je možné použiť niekoľko techník:

• Frustum Culling: Pred priradením svetiel klastrom vykonajte frustum culling, aby ste vylúčili svetlá, ktoré sú úplne mimo zorného poľa.
• Backface Culling: Vyraďte odvrátené trojuholníky počas fázy geometrie, aby ste znížili množstvo dát zapísaných do G-bufferu.
• Úroveň detailov (LOD): Používajte rôzne úrovne detailov pre vaše modely na základe ich vzdialenosti od kamery. To môže výrazne znížiť množstvo geometrie, ktorú je potrebné renderovať.
• Kompresia textúr: Používajte techniky kompresie textúr (napr. ASTC) na zníženie veľkosti vašich textúr a zlepšenie priepustnosti pamäte.
• Optimalizácia shaderov: Optimalizujte kód shaderov, aby ste znížili počet inštrukcií a zlepšili výkon. To zahŕňa techniky ako rozvinutie slučiek (loop unrolling), plánovanie inštrukcií a minimalizácia vetvenia.
• Predvypočítané osvetlenie: Zvážte použitie techník predvypočítaného osvetlenia (napr. lightmaps alebo sférické harmonické funkcie) pre statické objekty, aby ste znížili výpočty osvetlenia v reálnom čase.
• Hardvérové inštancovanie: Ak máte viacero inštancií toho istého objektu, použite hardvérové inštancovanie na ich efektívnejšie renderovanie.

Alternatívy a kompromisy

Hoci klasterové odložené osvetlenie ponúka významné výhody, je dôležité zvážiť aj alternatívy a ich príslušné kompromisy:

• Dopredné renderovanie (Forward Rendering): Hoci je menej efektívne s mnohými svetlami, dopredné renderovanie môže byť jednoduchšie na implementáciu a môže byť vhodné pre scény s obmedzeným počtom svetelných zdrojov. Tiež ľahšie umožňuje priehľadnosť.
• Forward+ Rendering: Forward+ renderovanie je alternatívou k odloženému renderovaniu, ktorá používa compute shadery na vykonanie vyraďovania svetiel pred fázou dopredného renderovania. To môže ponúknuť podobné výhody vo výkone ako klasterové odložené osvetlenie. Implementácia môže byť zložitejšia a môže vyžadovať špecifické hardvérové funkcie.
• Dlaždicové odložené osvetlenie (Tiled Deferred Lighting): Dlaždicové odložené osvetlenie rozdeľuje obrazovku na 2D dlaždice namiesto 3D klastrov. Implementácia môže byť jednoduchšia ako pri klasterovom odloženom osvetlení, ale môže byť menej efektívna pre scény s výraznými zmenami v hĺbke.

Voľba renderovacej techniky závisí od špecifických požiadaviek vašej aplikácie. Pri rozhodovaní zvážte počet svetelných zdrojov, zložitosť scény a cieľový hardvér.

Záver

Klasterové odložené osvetlenie vo WebGL je výkonná technika pre správu zložitých svetelných scenárov vo webových grafických aplikáciách. Efektívnym vyraďovaním svetiel a znižovaním overdraw môže výrazne zlepšiť výkon a škálovateľnosť renderovania. Hoci implementácia môže byť zložitá, výhody v oblasti výkonu a vizuálnej kvality z nej robia cennú snahu pre náročné aplikácie, ako sú hry, simulácie a vizualizácie. Dôkladné zváženie veľkosti klastra, optimalizácia priraďovania svetiel a priepustnosť pamäte sú kľúčové pre dosiahnutie optimálnych výsledkov.

Keďže WebGL sa neustále vyvíja a hardvérové schopnosti sa zlepšujú, klasterové odložené osvetlenie sa pravdepodobne stane čoraz dôležitejším nástrojom pre vývojárov, ktorí sa snažia vytvárať vizuálne ohromujúce a výkonné webové 3D zážitky.

Ďalšie zdroje

• Špecifikácia WebGL: https://www.khronos.org/webgl/
• OpenGL Insights: Kniha s kapitolami o pokročilých renderovacích technikách, vrátane odloženého renderovania a klasterového tieňovania.
• Výskumné práce: Vyhľadajte akademické práce o klasterovom odloženom osvetlení a súvisiacich témach na Google Scholar alebo podobných databázach.