WebGL gručasto odloženo osvetljevanje: Napredno upravljanje osvetlitve

Na področju 3D grafike v realnem času ima osvetljevanje ključno vlogo pri ustvarjanju realističnih in vizualno privlačnih scen. Medtem ko lahko tradicionalni pristopi prednjega renderiranja postanejo računsko dragi pri velikem številu svetlobnih virov, odloženo renderiranje ponuja privlačno alternativo. Gručasto odloženo osvetljevanje gre še korak dlje in zagotavlja učinkovito ter razširljivo rešitev za upravljanje kompleksnih scenarijev osvetljevanja v aplikacijah WebGL.

Razumevanje odloženega renderiranja

Preden se poglobimo v gručasto odloženo osvetljevanje, je ključno razumeti temeljna načela odloženega renderiranja. Za razliko od prednjega renderiranja, ki izračuna osvetljevanje za vsak fragment (piksel) med rastriranjem, odloženo renderiranje ločuje prehode geometrije in osvetljevanja. Tukaj je razčlenitev:

1. Prehod geometrije (ustvarjanje G-bufferja): V prvem prehodu se geometrija scene renderira v več ciljnih renderjev, skupaj znanih kot G-buffer. Ta buffer običajno shranjuje informacije, kot so:
   • Globina: Razdalja od kamere do površine.
   • Normale: Orientacija površine.
   • Albedo: Osnovna barva površine.
   • Sijaj: Barva in intenzivnost spekularnega sija.
2. Prehod osvetljevanja: V drugem prehodu se G-buffer uporabi za izračun prispevka osvetljevanja za vsak piksel. To nam omogoča, da drage izračune osvetljevanja odložimo, dokler ne imamo vseh potrebnih informacij o površini.

Odloženo renderiranje ponuja več prednosti:

• Zmanjšana ponovna risanje (Overdraw): Izračuni osvetljevanja se izvedejo le enkrat na piksel, ne glede na število svetlobnih virov, ki vplivajo nanj.
• Poenostavljeni izračuni osvetljevanja: Vse potrebne informacije o površini so takoj na voljo v G-bufferju, kar poenostavi enačbe osvetljevanja.
• Ločena geometrija in osvetljevanje: To omogoča bolj prilagodljive in modularne cevovode renderiranja.

Vendar pa se standardno odloženo renderiranje še vedno lahko sooča z izzivi pri zelo velikem številu svetlobnih virov. Tu pride do izraza gručasto odloženo osvetljevanje.

Predstavitev gručastega odloženega osvetljevanja

Gručasto odloženo osvetljevanje je optimizacijska tehnika, ki si prizadeva izboljšati zmogljivost odloženega renderiranja, zlasti v scenah s številnimi svetlobnimi viri. Osnovna ideja je razdeliti vidno polje (view frustum) v mrežo 3D gruč in svetlobo dodeliti tem gručam glede na njihovo prostorsko lokacijo. To nam omogoča učinkovito določanje, katere luči vplivajo na katere piksle med prehodom osvetljevanja.

Kako deluje gručasto odloženo osvetljevanje

1. Razdelitev vidnega polja: Vidno polje je razdeljeno na 3D mrežo gruč. Dimenzije te mreže (npr. 16x9x16) določajo granularnost gručenja.
2. Dodeljevanje svetlobe: Vsak svetlobni vir je dodeljen gručam, s katerimi se prekriva. To se lahko stori s preverjanjem omejevalnega volumna svetlobe glede na meje gruče.
3. Ustvarjanje seznama svetlobe gruče: Za vsako gručo se ustvari seznam svetil, ki nanjo vplivajo. Ta seznam se lahko shrani v medpomnilnik ali teksturo.
4. Prehod osvetljevanja: Med prehodom osvetljevanja za vsak piksel določimo, kateri gruči pripada, in nato iteriramo po svetlobah na seznamu svetlobe te gruče. To bistveno zmanjša število svetlob, ki jih je treba upoštevati za vsak piksel.

Prednosti gručastega odloženega osvetljevanja

• Izboljšana zmogljivost: Z zmanjšanjem števila svetlob, obravnavanih na piksel, lahko gručasto odloženo osvetljevanje bistveno izboljša zmogljivost renderiranja, zlasti v scenah z velikim številom svetlobnih virov.
• Razširljivost: Povečanje zmogljivosti postane izrazitejše z naraščanjem števila svetlobnih virov, kar ga dela razširljivo rešitev za kompleksne scenarije osvetljevanja.
• Zmanjšana ponovna risanje (Overdraw): Podobno kot pri standardnem odloženem renderiranju, gručasto odloženo osvetljevanje zmanjšuje ponovno risanje z izvajanjem izračunov osvetljevanja le enkrat na piksel.

Implementacija gručastega odloženega osvetljevanja v WebGL

Implementacija gručastega odloženega osvetljevanja v WebGL vključuje več korakov. Tukaj je pregled postopka na visoki ravni:

1. Ustvarjanje G-bufferja: Ustvarite teksture G-bufferja za shranjevanje potrebnih informacij o površini (globina, normale, albedo, sijaj). To običajno vključuje uporabo več renderjev (MRT).
2. Generiranje gruč: Določite mrežo gruč in izračunajte meje gruč. To se lahko naredi v JavaScriptu ali neposredno v senci.
3. Dodeljevanje svetlobe (na strani CPU-ja): Ponavljajte po svetlobnih virih in jih dodelite ustreznim gručam. To se običajno izvaja na CPU-ju, saj ga je treba izračunati le, ko se luči premaknejo ali spremenijo. Razmislite o uporabi prostorske pospeševalne strukture (npr. hierarhije omejevalnih volumnov ali mreže) za pospešitev postopka dodeljevanja svetlobe, zlasti pri velikem številu svetlob.
4. Ustvarjanje seznama svetlobe gruče (na strani GPU-ja): Ustvarite medpomnilnik ali teksturo za shranjevanje seznamov svetlobe za vsako gručo. Prenesite indekse svetlobe, dodeljene vsaki gruči, iz CPU-ja na GPU. To je mogoče doseči z uporabo objekta teksturnega medpomnilnika (TBO) ali objekta shranjevalnega medpomnilnika (SBO), odvisno od različice WebGL in razpoložljivih razširitev.
5. Prehod osvetljevanja (na strani GPU-ja): Implementirajte senčnik za prehod osvetljevanja, ki bere iz G-bufferja, določi gručo za vsak piksel in iterira po svetilih na seznamu svetlobe gruče, da izračuna končno barvo.

Primeri kode (GLSL)

Tukaj je nekaj izrezkov kode, ki ponazarjajo ključne dele implementacije. Opomba: to so poenostavljeni primeri in morda bodo potrebne prilagoditve glede na vaše specifične potrebe.

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); // Primer barve spekularnega sija in sijočnosti
}

Lighting 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 //Primer, mora biti definiran in dosleden

// Funkcija za rekonstrukcijo pozicije v svetu iz globine in zaslonskih koordinat
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;
}

// Funkcija za izračun indeksa gruče na podlagi pozicije v svetu
int calculateClusterIndex(vec3 worldPosition) {
    // Pretvori pozicijo v svetu v prostor pogleda
    vec4 viewSpacePosition = uInverseViewMatrix * vec4(worldPosition, 1.0);

    // Izračunaj normalizirane koordinate naprave (NDC)
    vec3 ndcPosition = viewSpacePosition.xyz / viewSpacePosition.w; //Perspektivna delitev

    //Pretvori v območje [0, 1]
    vec3 normalizedPosition = ndcPosition * 0.5 + 0.5;

    // Omeji za preprečitev dostopa izven meja
    normalizedPosition = clamp(normalizedPosition, vec3(0.0), vec3(1.0));

    // Izračunaj indeks gruče
    int clusterX = int(normalizedPosition.x * float(uClusterGridSizeX));
    int clusterY = int(normalizedPosition.y * float(uClusterGridSizeY));
    int clusterZ = int(normalizedPosition.z * float(uClusterGridSizeZ));

    // Izračunaj 1D indeks
    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; // poenostavljena spekularna intenzivnost


  // Rekonstruiraj pozicijo v svetu iz globine
  vec3 worldPosition = reconstructWorldPosition(depth, vTexCoord);

  // Izračunaj indeks gruče
  int clusterIndex = calculateClusterIndex(worldPosition);

  // Določi začetni in končni indeks seznama svetlobe za to gručo
    int lightListOffset = clusterIndex * 2; // Predpostavljamo, da vsaka gruča shranjuje začetni in končni indeks
    int startLightIndex = int(texelFetch(uLightListBuffer, lightListOffset).r * float(MAX_LIGHTS)); //Normaliziraj indekse svetlobe na [0, MAX_LIGHTS]
    int numLightsInCluster = int(texelFetch(uLightListBuffer, lightListOffset + 1).r * float(MAX_LIGHTS));


  // Kopiči prispevke osvetljevanja
  vec3 finalColor = vec3(0.0);
  for (int i = 0; i < numLightsInCluster; ++i) {
        int lightIndex = startLightIndex + i;
        if (lightIndex >= MAX_LIGHTS) break; // Varnostna kontrola za preprečitev dostopa izven meja

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

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

        //Enostavno difuzno osvetljevanje
        float diffuseIntensity = max(dot(normal, lightDirection), 0.0);
        vec3 diffuse = diffuseIntensity * lightColor * albedo;

        //Enostavno spekularno osvetljevanje
        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); // Enostavno slabljenje


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

  outColor = vec4(finalColor, 1.0);
}

Pomembni premisleki

• Velikost gruče: Izbira velikosti gruče je ključnega pomena. Manjše gruče zagotavljajo boljše izločanje, vendar povečajo število gruč in režijske stroške upravljanja seznamov svetlobe gruč. Večje gruče zmanjšajo režijske stroške, vendar lahko povzročijo, da se na piksel upošteva več svetil. Eksperimentiranje je ključno za iskanje optimalne velikosti gruče za vašo sceno.
• Optimizacija dodeljevanja svetlobe: Optimizacija postopka dodeljevanja svetlobe je bistvena za zmogljivost. Uporaba prostorskih podatkovnih struktur (npr. hierarhije omejevalnih volumnov ali mreže) lahko bistveno pospeši postopek iskanja, katere gruče se svetloba seka.
• Pomnilniška pasovna širina: Bodite pozorni na pomnilniško pasovno širino pri dostopu do G-bufferja in seznamov svetlobe gruč. Uporaba ustreznih formatov tekstur in tehnik stiskanja lahko pomaga zmanjšati porabo pomnilnika.
• Omejitve WebGL: Starejše različice WebGL morda nimajo določenih funkcij (kot so objekti shranjevalnega medpomnilnika). Razmislite o uporabi razširitev ali alternativnih pristopov za shranjevanje seznamov svetlobe. Zagotovite, da je vaša implementacija združljiva s ciljno različico WebGL.
• Mobilna zmogljivost: Gručasto odloženo osvetljevanje je lahko računsko intenzivno, zlasti na mobilnih napravah. Skrbno profilirajte svojo kodo in jo optimizirajte za zmogljivost. Razmislite o uporabi nižjih ločljivosti ali poenostavljenih modelov osvetljevanja na mobilnih napravah.

Tehnike optimizacije

Za nadaljnjo optimizacijo gručastega odloženega osvetljevanja v WebGL je mogoče uporabiti več tehnik:

• Obrezovanje vidnega polja (Frustum Culling): Pred dodelitvijo svetlobe gručam izvedite obrezovanje vidnega polja, da zavržete svetila, ki so popolnoma zunaj vidnega polja.
• Obrezovanje zadnjih strani (Backface Culling): Obrežite trikotnike, obrnjene nazaj, med prehodom geometrije, da zmanjšate količino podatkov, zapisanih v G-buffer.
• Stopnja podrobnosti (LOD): Uporabite različne stopnje podrobnosti za svoje modele glede na njihovo oddaljenost od kamere. To lahko bistveno zmanjša količino geometrije, ki jo je treba renderirati.
• Kompresija tekstur: Uporabite tehnike kompresije tekstur (npr. ASTC) za zmanjšanje velikosti tekstur in izboljšanje pomnilniške pasovne širine.
• Optimizacija senčnikov: Optimizirajte kodo senčnika, da zmanjšate število navodil in izboljšate zmogljivost. To vključuje tehnike, kot so razvijanje zank (loop unrolling), razporejanje navodil in minimiziranje razvejanja.
• Vnaprej izračunano osvetljevanje: Razmislite o uporabi tehnik vnaprej izračunanega osvetljevanja (npr. svetlobne karte ali sferične harmonike) za statične objekte, da zmanjšate izračune osvetljevanja v realnem času.
• Strojno instanciranje (Hardware Instancing): Če imate več primerkov istega objekta, uporabite strojno instanciranje za učinkovitejše renderiranje.

Alternative in kompromisi

Medtem ko gručasto odloženo osvetljevanje ponuja pomembne prednosti, je bistveno upoštevati alternative in njihove kompromise:

• Prednje renderiranje: Čeprav je manj učinkovito pri veliko svetilih, je prednje renderiranje lahko enostavnejše za implementacijo in je primerno za scene z omejenim številom svetlobnih virov. Omogoča tudi lažjo transparentnost.
• Forward+ renderiranje: Forward+ renderiranje je alternativa odloženemu renderiranju, ki uporablja računalniške senčnike za izločanje svetlobe pred prehodom prednjega renderiranja. To lahko ponudi podobne prednosti glede zmogljivosti kot gručasto odloženo osvetljevanje. Lahko je bolj zapleteno za implementacijo in lahko zahteva specifične strojne funkcije.
• Ploščasto odloženo osvetljevanje (Tiled Deferred Lighting): Ploščasto odloženo osvetljevanje zaslon razdeli na 2D ploščice namesto na 3D gruče. To je lahko enostavnejše za implementacijo kot gručasto odloženo osvetljevanje, vendar je lahko manj učinkovito za scene z znatnimi variacijami globine.

Izbira tehnike renderiranja je odvisna od specifičnih zahtev vaše aplikacije. Pri odločanju upoštevajte število svetlobnih virov, kompleksnost scene in ciljno strojno opremo.

Zaključek

WebGL gručasto odloženo osvetljevanje je močna tehnika za upravljanje kompleksnih scenarijev osvetljevanja v spletnih grafičnih aplikacijah. Z učinkovitim izločanjem svetil in zmanjšanjem ponovnega risanja lahko bistveno izboljša zmogljivost in razširljivost renderiranja. Čeprav je implementacija lahko kompleksna, so prednosti glede zmogljivosti in vizualne kakovosti vredne truda za zahtevne aplikacije, kot so igre, simulacije in vizualizacije. Skrbno upoštevanje velikosti gruče, optimizacije dodeljevanja svetlobe in pasovne širine pomnilnika je ključnega pomena za doseganje optimalnih rezultatov.

Ker se WebGL še naprej razvija in se strojne zmogljivosti izboljšujejo, bo gručasto odloženo osvetljevanje verjetno postalo vse pomembnejše orodje za razvijalce, ki si prizadevajo ustvariti vizualno osupljive in zmogljive 3D izkušnje na spletu.

Dodatni viri

• Specifikacija WebGL: https://www.khronos.org/webgl/
• OpenGL Insights: Knjiga s poglavji o naprednih tehnikah renderiranja, vključno z odloženim renderiranjem in gručastim senčenjem.
• Raziskovalni članki: Poiščite akademske članke o gručastem odloženem osvetljevanju in sorodnih temah na Google Scholar ali podobnih podatkovnih bazah.