Giới thiệu
Bản đồ bóng là một trong những kỹ thuật quan trọng trong đồ họa 3D, giúp tạo ra bóng đổ chân thực cho các đối tượng trong cảnh. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá cách triển khai bản đồ bóng (shadow mapping) trong WebGPU, một API mới giúp lập trình đồ họa trên web. Chúng ta sẽ xem xét cả lý thuyết cơ bản và các ví dụ thực tiễn để hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của kỹ thuật này.
Cách hoạt động của Bản đồ Bóng
Cách tiếp cận cơ bản
Để tạo ra bóng, chúng ta sẽ coi mỗi nguồn sáng như một camera và chụp lại cảnh vật để tạo ra một bản đồ độ sâu (depth map). Khi render cảnh cho mỗi điểm, chúng ta sẽ so sánh vị trí của điểm đó với thông tin trong bản đồ độ sâu để xác định xem điểm đó có bị bóng che khuất hay không. Cụ thể, nếu khoảng cách từ điểm đến nguồn sáng bằng với khoảng cách trong bản đồ độ sâu, điểm đó không nằm trong bóng. Ngược lại, nếu khoảng cách trong bản đồ độ sâu ngắn hơn, điểm đó bị che khuất bởi một vật thể khác.
Các loại ánh sáng
Chúng ta có hai loại ánh sáng chính: ánh sáng hướng (directional light) và ánh sáng điểm (point light). Để bắt đầu, chúng ta sẽ tập trung vào ánh sáng hướng vì đây là loại dễ xử lý nhất. Ánh sáng hướng có thể được mô hình hóa như một camera không có độ sâu vì nó có chiều rộng vô hạn.
Thiết lập môi trường
Đầu tiên, chúng ta cần xây dựng một pipeline mới để tạo ra bản đồ bóng. Việc này bao gồm việc render hình học mà không cần shader. Chúng ta sẽ tự động nhận được đầu ra độ sâu khi bật chế độ depth mapping. Để làm được điều này, chúng ta cũng cần những bindings cho việc biến đổi đỉnh (vertex transforms).
Xây dựng Bản đồ Bóng
Để xây dựng bản đồ bóng, chúng ta cần tạo ra một ma trận nhìn (view matrix) cho ánh sáng. Đối với ánh sáng hướng, điều này không quá phức tạp, chỉ cần chọn một vị trí đủ xa để bao quát cảnh vật. Chúng ta sẽ sử dụng các hằng số để giữ cho mã nguồn dễ đọc hơn.
javascript
//shadow-mapped-light.js
import { Light } from "./light.js";
import { getLookAtMatrix, getOrthoMatrix, scaleVector, subtractVector } from "../utilities/vector.js";
const distance = 0.5;
const center = [0, 0, 0];
const frustumScale = 2;
export class ShadowMappedLight extends Light {
getViewMatrix(light) {
const lightPosition = scaleVector(subtractVector(center, this.direction), distance);
return getLookAtMatrix(lightPosition, center);
}
getProjectionMatrix(aspectRatio) {
const right = aspectRatio * frustumScale;
return getOrthoMatrix(-right, right, -frustumScale, frustumScale, 0.1, distance * 2);
}
}Cảnh báo quan trọng
Khi camera hoặc ánh sáng nhìn xuống trục Y, ma trận nhìn có thể bị lỗi với giá trị NaN. Chúng ta cần quản lý trường hợp này bằng cách lựa chọn một vector lên khác.
javascript
//vector.js
export function getLookAtMatrix(position, target, up = UP) {
const forward = normalizeVector(subtractVector(target, position));
if(Math.abs(dotVector(forward, up)) > 0.999){
up = Math.abs(forward[1]) < 0.999 ? UP : FORWARD;
}
const right = normalizeVector(crossVector(up, forward));
const newUp = crossVector(forward, right);
return new Float32Array([
right[0], newUp[0], forward[0], 0,
right[1], newUp[1], forward[1], 0,
right[2], newUp[2], forward[2], 0,
-dotVector(position, right), -dotVector(position, newUp), -dotVector(position, forward), 1
]);
}Kết nối Bản đồ Bóng
Khi đã có bản đồ bóng, chúng ta cần sử dụng nó trong quá trình render. Một điều hạn chế là các texture độ sâu không thể có nhiều lớp, điều này có thể khiến cho việc quản lý nhiều nguồn sáng trở nên phức tạp hơn. Chúng ta sẽ tạo một số binding cho các bản đồ bóng.
javascript
//gpu-engine.js - initializeLights
this.#shadowMaps.set("dummy", this.#device.createTexture({
label: "dummy-depth-texture",
size: { width: 1, height: 1, depthOrArrayLayers: 1 },
format: "depth32float",
usage: GPUTextureUsage.RENDER_ATTACHMENT | GPUTextureUsage.TEXTURE_BINDING
}));Tạo Shader
Chúng ta sẽ thiết lập binding cho shader để có thể sử dụng các bản đồ bóng. Điều này bao gồm việc sử dụng sampler_comparison để thực hiện so sánh trong shader.
glsl
const shadow_max = 4;
struct LightTransform {
projection_matrix: mat4x4<f32>,
view_matrix: mat4x4<f32>,
}
@group(3) @binding(0) var shadow_sampler: sampler_comparison;
@group(3) @binding(1) var<storage, read> light_transforms: array<LightTransform>;Các mẹo hiệu suất
- Sử dụng độ phân giải cao cho bản đồ bóng để giảm thiểu hiện tượng răng cưa.
- Cân nhắc sử dụng các kỹ thuật như cascade shadow maps để cải thiện chất lượng bóng.
Những vấn đề thường gặp
- Bóng không chính xác do độ phân giải thấp hoặc thiết lập không đúng ma trận nhìn.
- Tăng cường độ sáng của ánh sáng sẽ giúp cải thiện tình trạng này.
Kết luận
Bằng cách áp dụng các kỹ thuật trên, bạn có thể tạo ra các bản đồ bóng chất lượng cao cho các ứng dụng WebGPU của mình. Bắt đầu ngay hôm nay để nâng cao trải nghiệm đồ họa trong các dự án của bạn! Hãy tham khảo mã nguồn và tài liệu để hiểu rõ hơn về cách thực hiện các bước này.
Tài nguyên tham khảo
- WebGPU Documentation - Tài liệu chính thức về WebGPU.
- Shadow Mapping Techniques - Hướng dẫn về các kỹ thuật bản đồ bóng.
Câu hỏi thường gặp (FAQ)
1. Bản đồ bóng là gì?
Bản đồ bóng là một kỹ thuật trong đồ họa 3D dùng để tạo bóng cho các đối tượng trong một cảnh.
2. Tại sao tôi nên sử dụng WebGPU?
WebGPU cung cấp một API hiện đại cho đồ họa trên web, cho phép thực hiện các tác vụ đồ họa phức tạp hơn với hiệu suất tốt hơn.
3. Tôi có cần biết gì về shader không?
Có, việc hiểu rõ shader là cần thiết để tối ưu hóa quá trình render và tạo ra các hiệu ứng đồ họa đẹp mắt.
