Кластерне відкладене освітлення WebGL: Розширене керування освітленням

У сфері 3D-графіки в реальному часі освітлення відіграє ключову роль у створенні реалістичних та візуально привабливих сцен. Хоча традиційні підходи до прямого рендерингу можуть стати обчислювально затратними за великої кількості джерел світла, відкладене рендеринг пропонує привабливу альтернативу. Кластерне відкладене освітлення робить крок далі, надаючи ефективне та масштабоване рішення для керування складними сценаріями освітлення у WebGL-додатках.

Розуміння відкладеного рендерингу

Перш ніж зануритися в кластерне відкладене освітлення, важливо зрозуміти основні принципи відкладеного рендерингу. На відміну від прямого рендерингу, який обчислює освітлення для кожного фрагмента (пікселя) під час його растризації, відкладене рендеринг розділяє проходи геометрії та освітлення. Ось розбивка:

1. Прохід геометрії (Створення G-буфера): На першому проході геометрія сцени рендериться в декілька цільових буферів рендерингу, які спільно відомі як G-буфер. Цей буфер зазвичай зберігає таку інформацію, як:
   • Глибина: Відстань від камери до поверхні.
   • Нормалі: Орієнтація поверхні.
   • Альбедо: Базовий колір поверхні.
   • Дзеркальне відображення: Колір і інтенсивність дзеркального відблиску.
2. Прохід освітлення: На другому проході G-буфер використовується для обчислення вкладу освітлення для кожного пікселя. Це дозволяє нам відкласти дорогі обчислення освітлення, доки ми не матимемо всю необхідну інформацію про поверхню.

Відкладене рендеринг має кілька переваг:

• Зменшене надлишкове промальовування: Обчислення освітлення виконуються лише один раз на піксель, незалежно від кількості джерел світла, що на нього впливають.
• Спрощені обчислення освітлення: Вся необхідна інформація про поверхню легко доступна в G-буфері, що спрощує рівняння освітлення.
• Розділення геометрії та освітлення: Це забезпечує більш гнучкі та модульні конвеєри рендерингу.

Однак стандартний відкладений рендеринг все ще може стикатися з проблемами при роботі з дуже великою кількістю джерел світла. Саме тут вступає в дію кластерне відкладене освітлення.

Представляємо кластерне відкладене освітлення

Кластерне відкладене освітлення — це техніка оптимізації, спрямована на покращення продуктивності відкладеного рендерингу, особливо в сценах з численними джерелами світла. Основна ідея полягає в тому, щоб розділити фрустум огляду на сітку 3D-кластерів та призначити світла цим кластерам на основі їхнього просторового розташування. Це дозволяє ефективно визначати, які світла впливають на які пікселі під час проходу освітлення.

Як працює кластерне відкладене освітлення

1. Розбиття фрустума огляду: Фрустум огляду розділяється на 3D-сітку кластерів. Розміри цієї сітки (наприклад, 16x9x16) визначають деталізацію кластеризації.
2. Призначення світла: Кожне джерело світла призначається кластерам, з якими воно перетинається. Це можна зробити шляхом перевірки обмежуючого об'єму світла на відповідність межам кластера.
3. Створення списку світла кластера: Для кожного кластера створюється список світла, що на нього впливає. Цей список може зберігатися в буфері або текстурі.
4. Прохід освітлення: Під час проходу освітлення для кожного пікселя ми визначаємо, до якого кластера він належить, а потім перебираємо світла зі списку світла цього кластера. Це значно зменшує кількість світла, яке потрібно враховувати для кожного пікселя.

Переваги кластерного відкладеного освітлення

• Покращена продуктивність: Зменшуючи кількість світла, що розглядається на піксель, кластерне відкладене освітлення може значно покращити продуктивність рендерингу, особливо в сценах з великою кількістю джерел світла.
• Масштабованість: Збільшення продуктивності стає більш вираженим зі зростанням кількості джерел світла, що робить його масштабованим рішенням для складних сценаріїв освітлення.
• Зменшене надлишкове промальовування: Подібно до стандартного відкладеного рендерингу, кластерне відкладене освітлення зменшує надлишкове промальовування, виконуючи обчислення освітлення лише один раз на піксель.

Реалізація кластерного відкладеного освітлення в WebGL

Реалізація кластерного відкладеного освітлення в WebGL включає кілька кроків. Ось загальний огляд процесу:

1. Створення G-буфера: Створіть текстури G-буфера для зберігання необхідної інформації про поверхню (глибина, нормалі, альбедо, дзеркальне відображення). Це зазвичай передбачає використання кількох цільових буферів рендерингу (MRT).
2. Генерація кластерів: Визначте сітку кластерів та обчисліть їхні межі. Це можна зробити в JavaScript або безпосередньо в шейдері.
3. Призначення світла (на стороні ЦП): Переберіть джерела світла та призначте їх відповідним кластерам. Це зазвичай робиться на ЦП, оскільки обчислення потрібні лише тоді, коли світло рухається або змінюється. Розгляньте можливість використання просторової структури прискорення (наприклад, ієрархії обмежуючих об'ємів або сітки) для прискорення процесу призначення світла, особливо при великій кількості світла.
4. Створення списку світла кластера (на стороні ГП): Створіть буфер або текстуру для зберігання списків світла для кожного кластера. Передайте індекси світла, призначені кожному кластеру, з ЦП на ГП. Це може бути досягнуто за допомогою об'єкта текстурного буфера (TBO) або об'єкта буфера зберігання (SBO), залежно від версії WebGL та доступних розширень.
5. Прохід освітлення (на стороні ГП): Реалізуйте шейдер проходу освітлення, який зчитує дані з G-буфера, визначає кластер для кожного пікселя та перебирає світла зі списку світла кластера для обчислення кінцевого кольору.

Приклади коду (GLSL)

Ось кілька фрагментів коду, що ілюструють ключові частини реалізації. Примітка: це спрощені приклади, які можуть потребувати коригувань відповідно до ваших конкретних потреб.

Фрагментний шейдер G-буфера

#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
}

Фрагментний шейдер проходу освітлення

#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);
}

Важливі міркування

• Розмір кластера: Вибір розміру кластера є вирішальним. Менші кластери забезпечують кращу відбраковку, але збільшують кількість кластерів і накладні витрати на керування списками світла кластерів. Більші кластери зменшують накладні витрати, але можуть призвести до розгляду більшої кількості світла на піксель. Експериментування є ключем до пошуку оптимального розміру кластера для вашої сцени.
• Оптимізація призначення світла: Оптимізація процесу призначення світла є важливою для продуктивності. Використання просторових структур даних (наприклад, ієрархії обмежуючих об'ємів або сітки) може значно прискорити процес пошуку кластерів, які перетинає світло.
• Пропускна здатність пам'яті: Будьте уважні до пропускної здатності пам'яті при доступі до G-буфера та списків світла кластерів. Використання відповідних форматів текстур і методів стиснення може допомогти зменшити використання пам'яті.
• Обмеження WebGL: Старіші версії WebGL можуть не мати певних функцій (наприклад, об'єктів буфера зберігання). Розгляньте можливість використання розширень або альтернативних підходів для зберігання списків світла. Переконайтеся, що ваша реалізація сумісна з цільовою версією WebGL.
• Мобільна продуктивність: Кластерне відкладене освітлення може бути обчислювально інтенсивним, особливо на мобільних пристроях. Ретельно профілюйте свій код та оптимізуйте його для продуктивності. Розгляньте можливість використання нижчих роздільних здатностей або спрощених моделей освітлення на мобільних пристроях.

Методи оптимізації

Для подальшої оптимізації кластерного відкладеного освітлення в WebGL можна застосувати кілька методів:

• Відбраковка за фрустумом: Перед призначенням світла кластерам виконайте відбраковку за фрустумом, щоб відкинути світло, яке повністю знаходиться за межами фрустума огляду.
• Відбраковка зворотних граней: Відкидайте зворотні грані трикутників під час проходу геометрії, щоб зменшити обсяг даних, записаних у G-буфер.
• Рівень деталізації (LOD): Використовуйте різні рівні деталізації для ваших моделей на основі їхньої відстані від камери. Це може значно зменшити обсяг геометрії, яку потрібно відрендерити.
• Стиснення текстур: Використовуйте методи стиснення текстур (наприклад, ASTC), щоб зменшити розмір ваших текстур і покращити пропускну здатність пам'яті.
• Оптимізація шейдерів: Оптимізуйте код шейдерів, щоб зменшити кількість інструкцій та покращити продуктивність. Це включає такі методи, як розгортання циклів, планування інструкцій та мінімізація розгалужень.
• Попередньо обчислене освітлення: Розгляньте можливість використання методів попередньо обчисленого освітлення (наприклад, карт освітлення або сферичних гармонік) для статичних об'єктів, щоб зменшити обчислення освітлення в реальному часі.
• Апаратне інстансіювання: Якщо у вас є кілька екземплярів одного й того ж об'єкта, використовуйте апаратне інстансіювання для їх більш ефективного рендерингу.

Альтернативи та компроміси

Хоча кластерне відкладене освітлення пропонує значні переваги, важливо розглянути альтернативи та відповідні компроміси:

• Прямий рендеринг: Хоча менш ефективний з великою кількістю світла, прямий рендеринг може бути простішим у реалізації та підходити для сцен з обмеженою кількістю джерел світла. Він також легше дозволяє прозорість.
• Forward+ рендеринг: Forward+ рендеринг є альтернативою відкладеному рендерингу, який використовує обчислювальні шейдери для виконання відбраковки світла перед проходом прямого рендерингу. Це може забезпечити подібні переваги в продуктивності, як і кластерне відкладене освітлення. Його реалізація може бути складнішою і може вимагати спеціальних апаратних функцій.
• Тайлове відкладене освітлення: Тайлове відкладене освітлення ділить екран на 2D-тайли замість 3D-кластерів. Це може бути простіше в реалізації, ніж кластерне відкладене освітлення, але може бути менш ефективним для сцен зі значними перепадами глибини.

Вибір техніки рендерингу залежить від конкретних вимог вашого додатка. Приймаючи рішення, враховуйте кількість джерел світла, складність сцени та цільове апаратне забезпечення.

Висновок

Кластерне відкладене освітлення WebGL — це потужна техніка для керування складними сценаріями освітлення у веб-графічних додатках. Ефективно відкидаючи світла та зменшуючи надлишкове промальовування, воно може значно покращити продуктивність та масштабованість рендерингу. Хоча реалізація може бути складною, переваги з точки зору продуктивності та візуальної якості роблять це вартим зусиль для вимогливих програм, таких як ігри, симуляції та візуалізації. Ретельний розгляд розміру кластера, оптимізації призначення світла та пропускної здатності пам'яті є вирішальним для досягнення оптимальних результатів.

Оскільки WebGL продовжує розвиватися, а апаратні можливості покращуються, кластерне відкладене освітлення, ймовірно, стане все більш важливим інструментом для розробників, які прагнуть створювати візуально приголомшливі та продуктивні 3D-досвіди на основі Інтернету.

Додаткові ресурси

• Специфікація WebGL: https://www.khronos.org/webgl/
• OpenGL Insights: Книга з розділами про передові техніки рендерингу, включаючи відкладене рендеринг та кластерне затінення.
• Наукові статті: Шукайте наукові статті про кластерне відкладене освітлення та пов'язані теми на Google Scholar або подібних базах даних.