Clustered-Shading项目中的光源剔除空间选择分析

Clustered-Shading项目中的光源剔除空间选择分析

clustered-shading An OpenGL tutorial on clustered shading. A technique for efficiently rendering thousands of dyanmic lights in games. 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/cl/clustered-shading

在实时渲染领域，光源剔除是优化性能的关键技术。本文将以DaveH355的clustered-shading项目为例，深入探讨光源剔除过程中空间坐标系的选择问题，特别是视图空间(View Space)与归一化设备坐标(NDC)空间的比较与应用。

视图空间与光源剔除

在clustered-shading项目中，光源剔除的核心函数testSphereAABB采用了视图空间进行相交测试。视图空间是将世界坐标系通过视图矩阵变换后得到的坐标系，其特点是：

1. 相机位于原点
2. 相机朝向为-Z轴方向
3. 保持原始尺寸比例

视图空间的优势在于：

• 光源位置只需乘以视图矩阵即可转换
• 光源半径保持不变，因为视图变换只包含旋转和平移
• 计算效率高，无需额外的除法运算

NDC空间的替代方案

有开发者提出了使用NDC空间进行光源剔除的可能性。NDC空间是通过将视图空间坐标乘以投影矩阵并执行透视除法后得到的标准化坐标空间，其特点是：

1. 坐标范围在[-1,1]之间
2. 考虑了透视投影的视觉效果
3. 需要进行额外的透视除法运算

NDC空间的潜在优势包括：

• 剔除测试可以直接使用标准化的[-1,1]范围
• 集群边界框生成更简单
• 无需随相机移动更新集群结构

实现对比与性能考量

两种空间的具体实现差异明显：

视图空间实现：

bool testSphereAABB(uint i, Cluster cluster) {
    vec3 center = vec3(viewMatrix * pointLight[i].position);
    float radius = pointLight[i].radius;
    return sphereAABBIntersection(center, radius, cluster.minPoint.xyz, cluster.maxPoint.xyz);
}

NDC空间实现：

GLSL::LightBase CreateNDCLight(const GLSL::LightBase& a_WorldLight, const glm::mat4x4& a_MVP) {
    auto worldLightLimit = glm::vec3(a_WorldLight.position.x + a_WorldLight.range, a_WorldLight.position.y, a_WorldLight.position.z);
    auto viewLightPos = a_MVP * glm::vec4(a_WorldLight.position, 1);
    auto viewLightLimit = a_MVP * glm::vec4(worldLightLimit, 1);
    auto NDCLightPos = glm::vec3(viewLightPos) / viewLightPos.w;
    auto NDCLightLimit = glm::vec3(viewLightLimit) / viewLightLimit.w;
    auto NDCLightRange = glm::distance(NDCLightPos, NDCLightLimit);
    return { NDCLightPos, NDCLightRange };
}

性能方面需要考虑：

• NDC方案需要额外的矩阵乘法和除法运算
• 视图空间方案计算量更小
• 实际性能差异需要通过基准测试验证

结论与最佳实践

对于大多数clustered shading实现，视图空间剔除是更优选择，因为：

1. 计算效率更高
2. 实现更简单直观
3. 避免了不必要的坐标转换

NDC空间方案在某些特定场景下可能有优势，但需要权衡额外的计算开销。开发者应根据具体项目需求和性能分析结果选择最适合的方案。

在实际应用中，建议先实现视图空间方案，待性能分析确认瓶颈后再考虑NDC空间优化，遵循"先简单后优化"的开发原则。

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