WebGL Clustered Forward Plus 渲染：高级光照剔除技术

实时渲染包含大量动态光源的复杂 3D 场景，对现代图形引擎构成了重大挑战。随着光源数量的增加，为每个像素着色的计算成本变得高得令人望而却步。传统的正向渲染在这种情况下举步维艰，导致性能瓶颈和无法接受的帧率。Clustered Forward Plus 渲染作为一种强大的解决方案应运而生，它提供了高效的光源剔除功能并提升了性能，尤其是在光源数量众多的场景中。本博客文章将深入探讨 WebGL 中的 Clustered Forward Plus 渲染，探索其高级光源剔除技术，并展示其在创建视觉上令人惊艳且性能卓越的 3D Web 应用方面的优势。

理解正向渲染的局限性

在标准正向渲染中，场景中每个可见像素都需要对每个光源进行评估。这个过程涉及计算每个光源对像素最终颜色的贡献，同时考虑距离、衰减和表面属性等因素。这种方法的计算复杂度与光源数量和像素数量成正比，使其在处理多光源场景时效率极低。想象一下像东京繁华的夜市或有数百个聚光灯的音乐会舞台这样的场景。在这些情况下，传统正向渲染的性能成本变得不可持续。

其主要局限在于对每个像素执行的冗余计算。许多光源可能对特定像素的最终颜色贡献不大，原因可能是它们距离太远、被其他物体遮挡，或者光线太暗。评估这些不相关的光源会浪费宝贵的 GPU 资源。

Clustered Forward Plus 渲染简介

Clustered Forward Plus 渲染通过采用一种复杂的光源剔除技术，解决了传统正向渲染的局限性。其核心思想是将 3D 渲染空间划分为一个由称为“集群”(clusters) 的较小体积组成的网格。这些集群代表了场景内的局部区域。渲染过程随后确定哪些光源影响每个集群，并将此信息存储在一个数据结构中。在最终的着色阶段，只会考虑与特定集群相关的光源，从而显著降低了计算开销。

两阶段方法

Clustered Forward Plus 渲染通常涉及两个主要阶段：

1. 集群创建与光源分配：在第一阶段，3D 空间被划分为集群，每个光源被分配到它可能影响的集群中。这涉及计算每个光源的包围体（例如，球体或圆锥体），并确定哪些集群与该体积相交。
2. 着色阶段：在第二阶段，渲染场景，并为每个像素确定其对应的集群。然后使用与该集群关联的光源为该像素着色。

Clustered Forward Plus 中的“Plus”

Clustered Forward Plus 中的“Plus”指的是在基本集群式正向渲染概念之上构建的增强和优化。这些增强通常包括更复杂的光源剔除技术，如视锥剔除和遮挡剔除，以及针对内存访问和着色器执行的优化。

技术详解

1. 集群创建

第一步是将 3D 渲染空间划分为一个集群网格。可以调整这些集群的尺寸和布局，以优化性能和内存使用。常见的策略包括：

• 均匀网格：一种简单的方法，将集群排列在规则的网格中。这种方法易于实现，但对于光源分布不均的场景可能不是最优的。
• 自适应网格：根据场景不同区域的光源密度动态调整集群的大小和布局。这可以提高性能，但增加了复杂性。

集群网格通常与相机的视锥体对齐，确保所有可见像素都落在一个集群内。深度分量可以线性或非线性（例如，对数）划分，以适应距离相机越远深度范围越大的情况。

2. 光源分配

创建集群后，需要将每个光源分配给它可能影响的集群。这涉及计算光源的包围体（例如，点光源的球体，聚光灯的圆锥体），并确定哪些集群与该体积相交。可以使用分离轴定理 (SAT) 等算法来高效地测试光源包围体和集群边界之间的相交。

此过程的结果是一个数据结构，它将每个集群映射到影响它的光源列表。该数据结构可以使用多种技术实现，例如：

• 列表数组：每个集群都有一个关联的光源索引列表。
• 紧凑表示：一种更节省内存的方法，将光源索引存储在连续数组中，并使用偏移量来标识与每个集群关联的光源。

3. 着色阶段

在着色阶段，处理每个像素并计算其最终颜色。该过程包括以下步骤：

1. 集群识别：根据像素的屏幕坐标和深度，确定它属于哪个集群。
2. 光源检索：从光源分配数据结构中检索与已识别集群关联的光源列表。
3. 着色计算：对于检索列表中的每个光源，计算其对像素颜色的贡献。

这种方法确保每个像素只考虑相关的光源，与传统正向渲染相比，显著降低了计算开销。例如，想象一个孟买的街景，有无数的路灯和车头灯。如果没有光源剔除，每个像素都会计算每个光源。而使用集群渲染，只考虑被着色对象附近的光源，从而大大提高了效率。

WebGL 实现细节

在 WebGL 中实现 Clustered Forward Plus 渲染需要仔细考虑着色器编程、数据结构和内存管理。WebGL 2 提供了诸如变换反馈、统一缓冲区对象 (UBO) 和计算着色器（通过扩展）等基本功能，这些都有助于高效实现。

着色器编程

光源分配和着色阶段通常使用 GLSL 着色器实现。光源分配着色器负责计算集群索引并将光源分配给适当的集群。着色器则检索相关光源并执行最终的着色计算。

GLSL 代码片段示例（光源分配）

            
#version 300 es

in vec3 lightPosition;
uniform mat4 projectionMatrix;
uniform mat4 viewMatrix;
uniform vec3 clusterDimensions;
uniform vec3 clusterCounts;

out int clusterIndex;

void main() {
  vec4 worldPosition = vec4(lightPosition, 1.0);
  vec4 viewPosition = viewMatrix * worldPosition;
  vec4 clipPosition = projectionMatrix * viewPosition;
  vec3 ndc = clipPosition.xyz / clipPosition.w;

  // Calculate cluster index based on NDC coordinates
  ivec3 clusterCoords = ivec3(floor(ndc.xyz * 0.5 + 0.5) * clusterCounts);
  clusterIndex = clusterCoords.x + clusterCoords.y * int(clusterCounts.x) + clusterCoords.z * int(clusterCounts.x * clusterCounts.y);
}

            

              
                Copy
              
            
          

GLSL 代码片段示例（着色）

            
#version 300 es
precision highp float;

in vec2 v_texcoord;
uniform sampler2D u_texture;
uniform samplerBuffer u_lightBuffer;
uniform ivec3 u_clusterCounts;
uniform int u_clusterIndex;

out vec4 fragColor;

// Function to retrieve light data from the buffer
vec3 getLightPosition(int index) {
  return texelFetch(u_lightBuffer, index * 3 + 0).xyz;
}

vec3 getLightColor(int index) {
  return texelFetch(u_lightBuffer, index * 3 + 1).xyz;
}

float getLightIntensity(int index) {
  return texelFetch(u_lightBuffer, index * 3 + 2).x;
}

void main() {
  vec4 baseColor = texture(u_texture, v_texcoord);
  vec3 finalColor = baseColor.rgb;

  // Iterate through lights associated with the cluster
  for (int i = 0; i < numLightsInCluster(u_clusterIndex); ++i) {
	  int lightIndex = getLightIndexFromCluster(u_clusterIndex, i);
    vec3 lightPos = getLightPosition(lightIndex);
    vec3 lightColor = getLightColor(lightIndex);
    float lightIntensity = getLightIntensity(lightIndex);

    // Perform shading calculations (e.g., Lambertian shading)
    // ...
  }

  fragColor = vec4(finalColor, baseColor.a);
}

            

              
                Copy
              
            
          

数据结构

高效的数据结构对于存储和访问集群和光源信息至关重要。UBO 可用于存储常量数据，如集群的尺寸和数量，而纹理缓冲区可用于存储光源数据和集群分配。

考虑一个表示柏林音乐厅照明的系统。UBO 可能存储有关舞台尺寸和相机位置的数据。纹理缓冲区可以保存有关每个舞台灯的颜色、强度和位置，以及这些灯影响哪些集群的数据。

计算着色器

计算着色器（如果可用，使用 `EXT_shader_compute_derivatives` 扩展）可用于加速光源分配过程。计算着色器允许在 GPU 上并行执行计算，使其成为计算集群相交和分配光源等任务的理想选择。但是，应仔细考虑其广泛可用性和性能特征。

内存管理

高效管理内存对于 WebGL 应用至关重要。UBO 和纹理缓冲区可用于最小化 CPU 和 GPU 之间的数据传输。此外，可以使用双缓冲等技术来防止渲染过程中的停顿。

Clustered Forward Plus 渲染的优势

与传统正向渲染相比，Clustered Forward Plus 渲染具有多项优势，尤其是在拥有众多动态光源的场景中：

• 性能提升：通过剔除不相关的光源，Clustered Forward Plus 渲染显著降低了着色阶段的计算开销，从而带来更高的帧率。
• 可扩展性：与传统正向渲染相比，Clustered Forward Plus 渲染的性能随光源数量的增加而扩展得更好。这使其适用于拥有数百甚至数千个动态光源的场景。
• 视觉质量：Clustered Forward Plus 渲染允许在不牺牲性能的情况下使用更多光源，从而能够创建视觉上更丰富、更逼真的场景。

考虑一个设定在未来城市如新东京的游戏。城市里充满了霓虹灯、带车灯的飞行器和无数的动态光源。Clustered Forward Plus 渲染使游戏引擎能够以高水平的细节和真实感渲染这个复杂场景，而不会牺牲性能。相比之下，传统正向渲染必须大幅减少光源数量以维持可玩的帧率，从而损害了场景的视觉保真度。

挑战与考量

虽然 Clustered Forward Plus 渲染具有显著优势，但它也带来了一些挑战和需要考虑的因素：

• 实现复杂性：实现 Clustered Forward Plus 渲染比传统正向渲染更复杂。它需要精心设计数据结构和着色器。
• 内存使用：存储集群和光源信息需要额外的内存。所需内存量取决于集群的大小和布局，以及光源的数量。
• 开销：光源分配阶段会引入一些开销。必须权衡此开销的成本与光源剔除带来的性能增益。
• 透明度：使用集群渲染处理透明度需要仔细考虑。透明对象可能需要单独渲染或使用不同的渲染技术。

例如，在一个模拟澳大利亚海岸外珊瑚礁的虚拟现实应用中，闪烁的光线和珊瑚的复杂细节需要大量光源。然而，大量透明的鱼和植物的存在需要仔细处理，以避免伪影并保持性能。

Clustered Forward Plus 的替代方案

虽然 Clustered Forward Plus 渲染是一项强大的技术，但也存在其他几种处理多光源场景的方法。这些方法包括：

• 延迟渲染：该技术涉及分多个阶段渲染场景，将几何体和光照计算分开。对于多光源场景，延迟渲染可能比正向渲染更高效，但它也可能在处理透明度和抗锯齿方面带来挑战。
• 平铺延迟渲染：延迟渲染的一种变体，将屏幕划分为图块，并在每个图块的基础上执行光源剔除。与标准延迟渲染相比，这可以提高性能。
• Forward+ 渲染：集群式正向渲染的简化版本，使用单个屏幕空间网格进行光源剔除。这比 Clustered Forward Plus 渲染更容易实现，但对于复杂场景可能效率不高。

未来趋势与优化

实时渲染领域在不断发展，一些趋势正在塑造 Clustered Forward Plus 渲染的未来：

• 硬件加速：随着 GPU 变得越来越强大以及专用硬件功能的引入，光源剔除和着色计算将变得更加高效。
• 机器学习：机器学习技术可用于优化集群放置、光源分配和着色参数，从而进一步提高性能。
• 光线追踪：光线追踪正成为传统基于光栅化的渲染技术的可行替代方案。光线追踪可以提供更逼真的光照和阴影，但计算量很大。将光线追踪与光栅化相结合的混合渲染技术可能会变得更加普遍。

考虑开发更复杂的算法，根据场景复杂性进行自适应集群大小调整。使用机器学习，这些算法可以实时预测最佳集群布局，从而实现动态高效的光源剔除。这对于拥有大型开放世界和多变光照条件的游戏尤其有利，例如一个设定在中世纪欧洲的庞大开放世界角色扮演游戏。

结论

对于拥有众多动态光源的 WebGL 应用，Clustered Forward Plus 渲染是提升实时渲染性能的强大技术。通过高效剔除不相关的光源，它减少了着色阶段的计算开销，从而能够创建视觉上更丰富、更逼真的场景。虽然实现可能很复杂，但其性能和可扩展性的提升使其成为游戏开发者、可视化专家以及任何在 Web 上创建交互式 3D 体验的人的宝贵工具。随着硬件和软件的不断发展，Clustered Forward Plus 渲染很可能在未来几年内仍然是一项相关且重要的技术。

尝试不同的集群大小、光源分配技术和着色模型，为您的特定应用找到最佳配置。探索可用的 WebGL 扩展和库，它们可以简化实现过程。通过掌握 Clustered Forward Plus 渲染的原理，您将能释放出在浏览器中创建令人惊叹的高性能 3D 图形的潜力。