WebGL Klasterlangan Kechiktirilgan Yorug'lik: Yorug'likni Boshqarishning Ilg'or Usullari

Real-time 3D grafika sohasida yorug'lik realistik va vizual jozibador sahnalarni yaratishda muhim rol o'ynaydi. An'anaviy forward rendering yondashuvlari ko'p sonli yorug'lik manbalari bilan hisoblash jihatidan qimmat bo'lishi mumkin bo'lsa-da, deferred rendering jozibali alternativani taklif etadi. Klasterlangan kechiktirilgan yorug'lik bu jarayonni bir qadam oldinga olib boradi, WebGL ilovalarida murakkab yorug'lik stsenariylarini boshqarish uchun samarali va kengaytiriladigan yechimni taqdim etadi.

Kechiktirilgan Renderlashni Tushunish

Klasterlangan kechiktirilgan yorug'likka kirishdan oldin, kechiktirilgan renderlashning asosiy tamoyillarini tushunish muhimdir. Har bir fragment (piksel) uchun yorug'likni rastrlash paytida hisoblaydigan forward renderingdan farqli o'laroq, kechiktirilgan renderlash geometri va yorug'lik o'tishlarini ajratadi. Mana batafsil tushuntirish:

1. Geometriya O'tishi (G-Buffer Yaratish): Birinchi o'tishda, sahna geometriyasi bir nechta renderlash maqsadlariga renderlanadi, ular birgalikda G-bufer deb nomlanadi. Bu bufer odatda quyidagi ma'lumotlarni saqlaydi:
   • Chuqurlik: Kameradan sirtgacha bo'lgan masofa.
   • Normalar: Sirt yo'nalishi.
   • Albedo: Sirtning asosiy rangi.
   • Spekulyar: Spekulyar yorug'lik rangi va intensivligi.
2. Yorug'lik O'tishi: Ikkinchi o'tishda, G-bufer har bir piksel uchun yorug'lik hissasi hisoblash uchun ishlatiladi. Bu bizga barcha kerakli sirt ma'lumotlariga ega bo'lgunimizcha qimmat yorug'lik hisob-kitoblarini kechiktirish imkonini beradi.

Kechiktirilgan renderlash bir qancha afzalliklarni taklif etadi:

• Qisqargan Ortik Chizish (Overdraw): Yorug'lik hisob-kitoblari har bir piksel uchun faqat bir marta amalga oshiriladi, unga ta'sir qiladigan yorug'lik manbalari sonidan qat'i nazar.
• Soddalashtirilgan Yorug'lik Hisob-kitoblari: Barcha kerakli sirt ma'lumotlari G-buferda osongina mavjud bo'lib, yorug'lik tenglamalarini soddalashtiradi.
• Alohida Geometriya va Yorug'lik: Bu ko'proq moslashuvchan va modulli renderlash quvurlariga imkon beradi.

Biroq, standart kechiktirilgan renderlash juda ko'p sonli yorug'lik manbalari bilan ishlashda qiyinchiliklarga duch kelishi mumkin. Aynan shu yerda klasterlangan kechiktirilgan yorug'lik usuli ishga tushadi.

Klasterlangan Kechiktirilgan Yorug'likni Tanishtirish

Klasterlangan kechiktirilgan yorug'lik – bu kechiktirilgan renderlash unumdorligini oshirishga qaratilgan optimallashtirish usuli, ayniqsa ko'p yorug'lik manbalari bo'lgan sahnalarda. Asosiy g'oya – ko'rinish frustumini 3D klasterlar tarmog'iga bo'lish va yorug'lik manbalarini ularning fazoviy joylashuviga qarab shu klasterlarga biriktirishdir. Bu bizga yorug'lik o'tishi paytida qaysi yorug'lik qaysi piksellarga ta'sir qilishini samarali aniqlash imkonini beradi.

Klasterlangan Kechiktirilgan Yorug'lik Qanday Ishlaydi

1. Ko'rinish Frustumini Bo'lish: Ko'rinish frustumi 3D klasterlar tarmog'iga bo'linadi. Bu tarmoqning o'lchamlari (masalan, 16x9x16) klasterlashning donadorligini aniqlaydi.
2. Yorug'likni Tayinlash: Har bir yorug'lik manbai u bilan kesishadigan klasterlarga tayinlanadi. Bu yorug'likning chegaralovchi hajmini klaster chegaralari bilan solishtirish orqali amalga oshirilishi mumkin.
3. Klaster Yorug'lik Ro'yxatini Yaratish: Har bir klaster uchun unga ta'sir qiluvchi yorug'lik manbalari ro'yxati yaratiladi. Bu ro'yxat buferda yoki teksturada saqlanishi mumkin.
4. Yorug'lik O'tishi: Yorug'lik o'tishi paytida, har bir piksel uchun u qaysi klasterga tegishli ekanligini aniqlaymiz va so'ngra shu klasterdagi yorug'lik ro'yxatidagi yorug'lik manbalarini aylanib chiqamiz. Bu har bir piksel uchun ko'rib chiqilishi kerak bo'lgan yorug'lik manbalari sonini sezilarli darajada kamaytiradi.

Klasterlangan Kechiktirilgan Yorug'likning Afzalliklari

• Yaxshilangan Unumdorlik: Har bir piksel uchun ko'rib chiqiladigan yorug'lik manbalari sonini kamaytirish orqali klasterlangan kechiktirilgan yorug'lik renderlash unumdorligini sezilarli darajada oshirishi mumkin, ayniqsa ko'p sonli yorug'lik manbalari bo'lgan sahnalarda.
• Kengaytiriluvchanlik: Yorug'lik manbalari soni ortishi bilan unumdorlikdagi yutuqlar yanada yaqqol namoyon bo'ladi, bu esa murakkab yorug'lik stsenariylari uchun kengaytiriladigan yechimga aylantiradi.
• Qisqargan Ortik Chizish (Overdraw): Standart kechiktirilgan renderlashga o'xshab, klasterlangan kechiktirilgan yorug'lik har bir piksel uchun yorug'lik hisob-kitoblarini faqat bir marta bajarish orqali ortik chizishni kamaytiradi.

WebGLda Klasterlangan Kechiktirilgan Yorug'likni Amalga Oshirish

WebGLda klasterlangan kechiktirilgan yorug'likni amalga oshirish bir nechta bosqichlarni o'z ichiga oladi. Jarayonning umumiy ko'rinishi quyida keltirilgan:

1. G-Buffer Yaratish: Kerakli sirt ma'lumotlarini (chuqurlik, normalar, albedo, spekulyar) saqlash uchun G-bufer teksturalarini yarating. Bu odatda bir nechta renderlash maqsadlaridan (MRT) foydalanishni o'z ichiga oladi.
2. Klaster Yaratish: Klaster tarmog'ini aniqlang va klaster chegaralarini hisoblang. Bu JavaScriptda yoki to'g'ridan-to'g'ri shaderda amalga oshirilishi mumkin.
3. Yorug'likni Tayinlash (CPU-tomonida): Yorug'lik manbalarini aylanib chiqing va ularni tegishli klasterlarga tayinlang. Bu odatda CPUda amalga oshiriladi, chunki uni faqat yorug'lik manbalari harakatlanganda yoki o'zgarganda hisoblash kerak. Ayniqsa, ko'p sonli yorug'lik manbalari bo'lganda, yorug'likni tayinlash jarayonini tezlashtirish uchun fazoviy tezlashtirish tuzilmasidan (masalan, chegaralovchi hajm iyerarxiyasi yoki tarmoq) foydalanishni ko'rib chiqing.
4. Klaster Yorug'lik Ro'yxatini Yaratish (GPU-tomonida): Har bir klaster uchun yorug'lik ro'yxatlarini saqlash uchun bufer yoki tekstura yarating. Har bir klasterga tayinlangan yorug'lik indekslarini CPUdan GPUga o'tkazing. Bu WebGL versiyasi va mavjud kengaytmalariga qarab, tekstura bufer obyekti (TBO) yoki saqlash bufer obyekti (SBO) yordamida amalga oshirilishi mumkin.
5. Yorug'lik O'tishi (GPU-tomonida): G-buferdan o'qiydigan, har bir piksel uchun klasterini aniqlaydigan va yakuniy rangni hisoblash uchun klaster yorug'lik ro'yxatidagi yorug'lik manbalarini aylanib chiqadigan yorug'lik o'tish shaderini amalga oshiring.

Kod Misollari (GLSL)

Bu yerda amalga oshirishning asosiy qismlarini ko'rsatadigan ba'zi kod parchalar berilgan. Eslatma: bular soddalashtirilgan misollar bo'lib, sizning o'ziga xos ehtiyojlaringizga qarab sozlashni talab qilishi mumkin.

G-bufer Fragment Sheyderi

#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
}

Yorug'lik O'tish Fragment Sheyderi

#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);
}

Muhim E'tiborlar

• Klaster Hajmi: Klaster hajmini tanlash juda muhim. Kichikroq klasterlar yaxshiroq cullingni ta'minlaydi, ammo klasterlar sonini va klaster yorug'lik ro'yxatlarini boshqarish yukini oshiradi. Katta klasterlar yukni kamaytiradi, ammo har bir piksel uchun ko'proq yorug'lik manbalari ko'rib chiqilishiga olib kelishi mumkin. Sahnaingiz uchun optimal klaster hajmini topishda eksperiment qilish muhimdir.
• Yorug'likni Tayinlashni Optimallashtirish: Yorug'likni tayinlash jarayonini optimallashtirish unumdorlik uchun juda muhim. Fazoviy ma'lumotlar tuzilmalaridan (masalan, chegaralovchi hajm iyerarxiyasi yoki tarmoq) foydalanish yorug'lik qaysi klasterlar bilan kesishishini topish jarayonini sezilarli darajada tezlashtirishi mumkin.
• Xotira Tarmoqli Kengligi: G-buferga va klaster yorug'lik ro'yxatlariga kirishda xotira tarmoqli kengligiga e'tibor bering. Tegishli tekstura formatlari va siqish usullaridan foydalanish xotira sarfini kamaytirishga yordam beradi.
• WebGL Cheklovlari: Eski WebGL versiyalarida ba'zi funksiyalar (masalan, storage buffer obyektlari) mavjud bo'lmasligi mumkin. Yorug'lik ro'yxatlarini saqlash uchun kengaytmalar yoki muqobil yondashuvlardan foydalanishni ko'rib chiqing. Amalga oshirilishingiz maqsadli WebGL versiyasi bilan mos kelishini ta'minlang.
• Mobil Unumdorlik: Klasterlangan kechiktirilgan yorug'lik, ayniqsa mobil qurilmalarda hisoblash jihatidan intensiv bo'lishi mumkin. Kodingizni diqqat bilan profillang va unumdorlik uchun optimallashtiring. Mobil qurilmalarda pastroq o'lchamlar yoki soddalashtirilgan yorug'lik modellaridan foydalanishni ko'rib chiqing.

Optimallashtirish Usullari

WebGLda klasterlangan kechiktirilgan yorug'likni yanada optimallashtirish uchun bir nechta usullardan foydalanish mumkin:

• Frustum Culling: Yorug'lik manbalarini klasterlarga tayinlashdan oldin, ko'rinish frustumidan butunlay tashqarida bo'lgan yorug'lik manbalarini tashlab yuborish uchun frustum cullingni bajaring.
• Backface Culling: Geometriya o'tishi paytida orqa yuz uchburchaklarini tashlab yuboring, bu G-buferga yoziladigan ma'lumotlar hajmini kamaytiradi.
• Batafsillik Darajasi (LOD): Modellar uchun kameradan masofasiga qarab turli batafsillik darajalarini ishlating. Bu renderlanishi kerak bo'lgan geometriya hajmini sezilarli darajada kamaytirishi mumkin.
• Tekstura Siqish: Teksturalaringiz hajmini kamaytirish va xotira tarmoqli kengligini yaxshilash uchun tekstura siqish usullaridan (masalan, ASTC) foydalaning.
• Sheyderni Optimallashtirish: Ko'rsatmalar sonini kamaytirish va unumdorlikni oshirish uchun sheyder kodingizni optimallashtiring. Bu loop unrolling, ko'rsatmalarni rejalashtirish va tarmoqlanishni minimallashtirish kabi usullarni o'z ichiga oladi.
• Oldindan Hisoblangan Yorug'lik: Statik obyektlar uchun real-time yorug'lik hisob-kitoblarini kamaytirish maqsadida oldindan hisoblangan yorug'lik usullaridan (masalan, lightmaplar yoki sferik garmonikalar) foydalanishni ko'rib chiqing.
• Apparat Instansiyalashtirish: Agar bir xil obyektning bir nechta instansiyasiga ega bo'lsangiz, ularni yanada samarali renderlash uchun apparat instansiyalashtirishdan foydalaning.

Muqobillar va O'zaro Kelishuvlar

Klasterlangan kechiktirilgan yorug'lik sezilarli afzalliklarni taqdim etsa-da, muqobillar va ularning o'zaro kelishuvlarini ko'rib chiqish muhimdir:

• Forward Renderlash: Ko'p yorug'lik manbalari bilan kamroq samarali bo'lsa-da, forward renderlashni amalga oshirish osonroq bo'lishi mumkin va cheklangan sondagi yorug'lik manbalari bo'lgan sahnalar uchun mos kelishi mumkin. Shuningdek, u shaffoflikni osonroq ta'minlaydi.
• Forward+ Renderlash: Forward+ renderlash kechiktirilgan renderlashga muqobil bo'lib, forward renderlash o'tishidan oldin yorug'lik cullingini bajarish uchun compute sheyderlardan foydalanadi. Bu klasterlangan kechiktirilgan yorug'likka o'xshash unumdorlik afzalliklarini taqdim etishi mumkin. Uni amalga oshirish murakkabroq bo'lishi mumkin va ma'lum apparat xususiyatlarini talab qilishi mumkin.
• Plitkali Kechiktirilgan Yorug'lik (Tiled Deferred Lighting): Plitkali kechiktirilgan yorug'lik ekranni 3D klasterlar o'rniga 2D plitkalarga bo'ladi. Bu klasterlangan kechiktirilgan yorug'likka qaraganda amalga oshirish osonroq bo'lishi mumkin, ammo chuqurlikdagi sezilarli o'zgarishlarga ega sahnalar uchun kamroq samarali bo'lishi mumkin.

Renderlash usulini tanlash ilovangizning o'ziga xos talablariga bog'liq. Qaror qabul qilishda yorug'lik manbalari sonini, sahna murakkabligini va maqsadli apparatni hisobga oling.

Xulosa

WebGL klasterlangan kechiktirilgan yorug'lik veb-grafika ilovalarida murakkab yorug'lik stsenariylarini boshqarish uchun kuchli usuldir. Yorug'lik manbalarini samarali culling qilish va ortik chizishni kamaytirish orqali u renderlash unumdorligi va kengaytiriluvchanligini sezilarli darajada oshirishi mumkin. Amalga oshirish murakkab bo'lishi mumkin bo'lsa-da, unumdorlik va vizual sifatdagi afzalliklari uni o'yinlar, simulyatsiyalar va vizualizatsiyalar kabi talabchan ilovalar uchun foydali harakatga aylantiradi. Optimal natijalarga erishish uchun klaster hajmi, yorug'likni tayinlashni optimallashtirish va xotira tarmoqli kengligini diqqat bilan ko'rib chiqish juda muhimdir.

WebGL rivojlanishda davom etar ekan va apparat imkoniyatlari yaxshilangan sari, klasterlangan kechiktirilgan yorug'lik vizual jihatdan ajoyib va unumdor veb-ga asoslangan 3D tajribalarini yaratishga intilayotgan dasturchilar uchun tobora muhim vositaga aylanishi mumkin.

Qo'shimcha Resurslar

• WebGL Spetsifikatsiyasi: https://www.khronos.org/webgl/
• OpenGL Insights: Kechiktirilgan renderlash va klasterlangan soyalash kabi ilg'or renderlash usullari bo'yicha boblari bo'lgan kitob.
• Tadqiqot Ishlari: Google Scholar yoki shunga o'xshash ma'lumotlar bazalarida klasterlangan kechiktirilgan yorug'lik va shu bilan bog'liq mavzular bo'yicha akademik maqolalarni qidiring.