تتبع الأشعة في WebGL: تتبع الأشعة في الزمن الحقيقي باستخدام مظللات الحوسبة في WebGL

لطالما كان تتبع الأشعة، وهو تقنية تصيير تشتهر بصورها الواقعية، عملية مكثفة حسابيًا ومخصصة لعمليات التصيير دون اتصال بالإنترنت. ومع ذلك، فتحت التطورات في تقنية وحدات معالجة الرسومات وإدخال مظللات الحوسبة الباب أمام تتبع الأشعة في الزمن الحقيقي داخل WebGL، مما جلب رسومات عالية الدقة للتطبيقات المستندة إلى الويب. يقدم هذا المقال دليلاً شاملاً لتنفيذ تتبع الأشعة في الزمن الحقيقي باستخدام مظللات الحوسبة في WebGL، مستهدفًا جمهورًا عالميًا من المطورين المهتمين بدفع حدود رسومات الويب.

ما هو تتبع الأشعة؟

يحاكي تتبع الأشعة الطريقة التي ينتقل بها الضوء في العالم الحقيقي. فبدلاً من تنقيط المضلعات، يقوم تتبع الأشعة بإطلاق أشعة من الكاميرا (أو العين) عبر كل بكسل على الشاشة وإلى المشهد. تتقاطع هذه الأشعة مع الكائنات، وبناءً على خصائص مواد تلك الكائنات، يتم تحديد لون البكسل عن طريق حساب كيفية ارتداد الضوء وتفاعله مع السطح. يمكن أن تشمل هذه العملية الانعكاسات والانكسارات والظلال، مما ينتج عنه صور واقعية للغاية.

المفاهيم الأساسية في تتبع الأشعة:

• إطلاق الأشعة (Ray Casting): عملية إطلاق الأشعة من الكاميرا إلى المشهد.
• اختبارات التقاطع (Intersection Tests): تحديد مكان تقاطع الشعاع مع الكائنات في المشهد.
• متجهات السطح العمودية (Surface Normals): متجهات عمودية على السطح عند نقطة التقاطع، تستخدم لحساب الانعكاس والانكسار.
• خصائص المواد (Material Properties): تحدد كيفية تفاعل السطح مع الضوء (مثل اللون، الانعكاسية، الخشونة).
• أشعة الظل (Shadow Rays): أشعة تُطلق من نقطة التقاطع إلى مصادر الضوء لتحديد ما إذا كانت النقطة في الظل.
• أشعة الانعكاس والانكسار (Reflection and Refraction Rays): أشعة تُطلق من نقطة التقاطع لمحاكاة الانعكاسات والانكسارات.

لماذا WebGL ومظللات الحوسبة؟

يوفر WebGL واجهة برمجة تطبيقات (API) متعددة المنصات لتصيير الرسومات ثنائية وثلاثية الأبعاد في متصفح الويب دون الحاجة إلى إضافات. تتيح مظللات الحوسبة، التي تم تقديمها مع WebGL 2.0، إجراء حسابات للأغراض العامة على وحدة معالجة الرسومات. وهذا يسمح لنا بالاستفادة من قوة المعالجة المتوازية لوحدة معالجة الرسومات لإجراء حسابات تتبع الأشعة بكفاءة.

مزايا استخدام WebGL لتتبع الأشعة:

• التوافق عبر المنصات: يعمل WebGL في أي متصفح ويب حديث، بغض النظر عن نظام التشغيل.
• تسريع الأجهزة: يستفيد من وحدة معالجة الرسومات لتصيير سريع.
• لا حاجة لإضافات: يلغي حاجة المستخدمين لتثبيت برامج إضافية.
• سهولة الوصول: يجعل تتبع الأشعة متاحًا لجمهور أوسع عبر الويب.

مزايا استخدام مظللات الحوسبة:

• المعالجة المتوازية: يستغل البنية المتوازية الضخمة لوحدات معالجة الرسومات لإجراء حسابات تتبع الأشعة بكفاءة.
• المرونة: يسمح بخوارزميات مخصصة وتحسينات مصممة خصيصًا لتتبع الأشعة.
• الوصول المباشر إلى وحدة معالجة الرسومات: يتجاوز مسار التصيير التقليدي لمزيد من التحكم.

نظرة عامة على التنفيذ

يتضمن تنفيذ تتبع الأشعة في WebGL باستخدام مظللات الحوسبة عدة خطوات رئيسية:

1. إعداد سياق WebGL: إنشاء سياق WebGL وتمكين الامتدادات اللازمة (WebGL 2.0 مطلوب).
2. إنشاء مظللات الحوسبة: كتابة كود GLSL لمظلل الحوسبة الذي يقوم بحسابات تتبع الأشعة.
3. إنشاء كائنات مخزن التظليل المؤقت (SSBOs): تخصيص ذاكرة على وحدة معالجة الرسومات لتخزين بيانات المشهد وبيانات الأشعة والصورة النهائية.
4. إرسال مظلل الحوسبة: تشغيل مظلل الحوسبة لمعالجة البيانات.
5. قراءة النتائج: استرداد الصورة المصيرة من SSBO وعرضها على الشاشة.

خطوات التنفيذ التفصيلية

1. إعداد سياق WebGL

الخطوة الأولى هي إنشاء سياق WebGL 2.0. يتضمن ذلك الحصول على عنصر لوحة الرسم (canvas) من HTML ثم طلب WebGL2RenderingContext. تعد معالجة الأخطاء أمرًا بالغ الأهمية لضمان إنشاء السياق بنجاح.

            const canvas = document.getElementById('myCanvas');
const gl = canvas.getContext('webgl2');

if (!gl) {
  console.error('WebGL 2.0 is not supported.');
}
            

              
                Copy
              
            
          

2. إنشاء مظللات الحوسبة

جوهر متتبع الأشعة هو مظلل الحوسبة، المكتوب بلغة GLSL. سيكون هذا المظلل مسؤولاً عن إطلاق الأشعة وإجراء اختبارات التقاطع وحساب لون كل بكسل. سيعمل مظلل الحوسبة على شبكة من مجموعات العمل، حيث تعالج كل مجموعة منطقة صغيرة من الصورة.

إليك مثال مبسط لمظلل حوسبة يحسب لونًا أساسيًا بناءً على إحداثيات البكسل:

            #version 310 es

layout (local_size_x = 8, local_size_y = 8) in;

layout (std430, binding = 0) buffer OutputBuffer {
  vec4 pixels[];
};

uniform ivec2 resolution;

void main() {
  ivec2 pixelCoord = ivec2(gl_GlobalInvocationID.xy);

  if (pixelCoord.x >= resolution.x || pixelCoord.y >= resolution.y) {
    return;
  }

  float red = float(pixelCoord.x) / float(resolution.x);
  float green = float(pixelCoord.y) / float(resolution.y);
  float blue = 0.5;

  pixels[pixelCoord.y * resolution.x + pixelCoord.x] = vec4(red, green, blue, 1.0);
}

            

              
                Copy
              
            
          

يحدد هذا المظلل حجم مجموعة عمل 8x8، ومخزن إخراج يسمى `pixels`، ومتغيرًا موحدًا لدقة الشاشة. تقوم كل وحدة عمل (بكسل) بحساب لونها بناءً على موقعها وتكتبه في مخزن الإخراج المؤقت.

3. إنشاء كائنات مخزن التظليل المؤقت (SSBOs)

تُستخدم SSBOs لتخزين البيانات التي تتم مشاركتها بين وحدة المعالجة المركزية (CPU) ووحدة معالجة الرسومات (GPU). في هذه الحالة، سنستخدم SSBOs لتخزين بيانات المشهد (مثل رؤوس المثلثات، خصائص المواد)، وبيانات الأشعة، والصورة النهائية المصيرة. قم بإنشاء SSBO، وربطه بنقطة ربط، وتعبئته بالبيانات الأولية.

            // Create the SSBO
const outputBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, outputBuffer);
gl.bufferData(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, imageWidth * imageHeight * 4 * 4, gl.DYNAMIC_COPY);

// Bind the SSBO to binding point 0
gl.bindBufferBase(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, 0, outputBuffer);

            

              
                Copy
              
            
          

4. إرسال مظلل الحوسبة

لتشغيل مظلل الحوسبة، نحتاج إلى إرساله. يتضمن ذلك تحديد عدد مجموعات العمل التي سيتم إطلاقها في كل بُعد. يتم تحديد عدد مجموعات العمل بقسمة العدد الإجمالي للبكسلات على حجم مجموعة العمل المحدد في المظلل.

            const workGroupSizeX = 8;
const workGroupSizeY = 8;
const numWorkGroupsX = Math.ceil(imageWidth / workGroupSizeX);
const numWorkGroupsY = Math.ceil(imageHeight / workGroupSizeY);

gl.dispatchCompute(numWorkGroupsX, numWorkGroupsY, 1);
gl.memoryBarrier(gl.SHADER_STORAGE_BARRIER_BIT);

            

              
                Copy
              
            
          

يقوم `gl.dispatchCompute` بتشغيل مظلل الحوسبة. ويضمن `gl.memoryBarrier` أن وحدة معالجة الرسومات قد انتهت من الكتابة إلى SSBO قبل أن تحاول وحدة المعالجة المركزية القراءة منه.

5. قراءة النتائج

بعد انتهاء مظلل الحوسبة من التنفيذ، نحتاج إلى قراءة الصورة المصيرة من SSBO مرة أخرى إلى وحدة المعالجة المركزية. يتضمن ذلك إنشاء مخزن مؤقت على وحدة المعالجة المركزية ثم استخدام `gl.getBufferSubData` لنسخ البيانات من SSBO إلى المخزن المؤقت لوحدة المعالجة المركزية. أخيرًا، قم بإنشاء عنصر صورة باستخدام البيانات.

            // Create a buffer on the CPU to hold the image data
const imageData = new Float32Array(imageWidth * imageHeight * 4);

// Bind the SSBO for reading
gl.bindBuffer(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, outputBuffer);
gl.getBufferSubData(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, 0, imageData);

// Create an image element from the data (example using a library like 'OffscreenCanvas')
// Display the image on the screen

            

              
                Copy
              
            
          

تمثيل المشهد وهياكل التسريع

أحد الجوانب الحاسمة في تتبع الأشعة هو إيجاد نقاط التقاطع بين الأشعة والكائنات في المشهد بكفاءة. تعتبر اختبارات التقاطع بالقوة الغاشمة، حيث يتم اختبار كل شعاع مقابل كل كائن، مكلفة حسابيًا. لتحسين الأداء، تُستخدم هياكل التسريع لتنظيم بيانات المشهد واستبعاد الكائنات التي من غير المرجح أن تتقاطع مع شعاع معين بسرعة.

هياكل التسريع الشائعة:

• التسلسل الهرمي للحجم المحيط (BVH): هيكل شجري هرمي حيث تمثل كل عقدة حجمًا محيطًا يحيط بمجموعة من الكائنات. يسمح هذا برفض أجزاء كبيرة من المشهد بسرعة.
• شجرة Kd-Tree: هيكل بيانات لتقسيم الفضاء يقسم المشهد بشكل متكرر إلى مناطق أصغر.
• التجزئة المكانية (Spatial Hashing): يقسم المشهد إلى شبكة من الخلايا ويخزن الكائنات في الخلايا التي تتقاطع معها.

بالنسبة لتتبع الأشعة في WebGL، غالبًا ما تكون هياكل BVH هي الخيار المفضل نظرًا لسهولة تنفيذها النسبية وأدائها الجيد. يتضمن تنفيذ BVH الخطوات التالية:

1. حساب الصندوق المحيط: حساب الصندوق المحيط لكل كائن في المشهد (مثل المثلثات).
2. بناء الشجرة: تقسيم المشهد بشكل متكرر إلى صناديق محيطة أصغر حتى تحتوي كل عقدة طرفية على عدد صغير من الكائنات. تشمل معايير التقسيم الشائعة نقطة المنتصف للمحور الأطول أو استدلال مساحة السطح (SAH).
3. الاجتياز: اجتياز BVH أثناء تتبع الأشعة، بدءًا من العقدة الجذرية. إذا تقاطع الشعاع مع الصندوق المحيط لعقدة ما، يتم اجتياز أبنائها بشكل متكرر. إذا تقاطع الشعاع مع عقدة طرفية، يتم إجراء اختبارات التقاطع مقابل الكائنات الموجودة في تلك العقدة.

مثال على هيكل BVH في GLSL (مبسط):

            struct BVHNode {
  vec3 min;
  vec3 max;
  int leftChild;
  int rightChild;
  int triangleOffset; // Index of the first triangle in this node
  int triangleCount;  // Number of triangles in this node
};

            

              
                Copy
              
            
          

تقاطع الشعاع مع المثلث

إن اختبار التقاطع الأساسي في تتبع الأشعة هو تقاطع الشعاع مع المثلث. توجد العديد من الخوارزميات لإجراء هذا الاختبار، بما في ذلك خوارزمية Möller–Trumbore، والتي تستخدم على نطاق واسع نظرًا لكفاءتها وبساطتها.

خوارزمية Möller–Trumbore:

تحسب خوارزمية Möller–Trumbore نقطة تقاطع شعاع مع مثلث عن طريق حل نظام من المعادلات الخطية. وهي تتضمن حساب الإحداثيات الباريسنترية، التي تحدد موضع نقطة التقاطع داخل المثلث. إذا كانت الإحداثيات الباريسنترية ضمن النطاق [0، 1] وكان مجموعها أقل من أو يساوي 1، فإن الشعاع يتقاطع مع المثلث.

مثال على كود GLSL:

            bool rayTriangleIntersect(Ray ray, vec3 v0, vec3 v1, vec3 v2, out float t) {
  vec3 edge1 = v1 - v0;
  vec3 edge2 = v2 - v0;
  vec3 h = cross(ray.direction, edge2);
  float a = dot(edge1, h);

  if (a > -0.0001 && a < 0.0001)
    return false;    // Ray is parallel to triangle

  float f = 1.0 / a;
  vec3 s = ray.origin - v0;
  float u = f * dot(s, h);

  if (u < 0.0 || u > 1.0)
    return false;

  vec3 q = cross(s, edge1);
  float v = f * dot(ray.direction, q);

  if (v < 0.0 || u + v > 1.0)
    return false;

  // At this stage we can compute t to find out where the intersection point is on the line.
  t = f * dot(edge2, q);

  if (t > 0.0001) // ray intersection
  {
    return true;
  }
  else // This means that there is a line intersection but not a ray intersection.
    return false;
}

            

              
                Copy
              
            
          

التظليل والإضاءة

بمجرد العثور على نقطة التقاطع، فإن الخطوة التالية هي حساب لون البكسل. يتضمن ذلك تحديد كيفية تفاعل الضوء مع السطح عند نقطة التقاطع. تشمل نماذج التظليل الشائعة ما يلي:

• تظليل فونغ (Phong Shading): نموذج تظليل بسيط يحسب المكونات المنتشرة والانعكاسية للضوء.
• تظليل بلين-فونغ (Blinn-Phong Shading): تحسين على تظليل فونغ يستخدم متجهًا وسيطًا لحساب المكون الانعكاسي.
• التصيير القائم على الفيزياء (PBR): نموذج تظليل أكثر واقعية يأخذ في الاعتبار الخصائص الفيزيائية للمواد.

يسمح تتبع الأشعة بتأثيرات إضاءة أكثر تقدمًا من التنقيط، مثل الإضاءة الشاملة والانعكاسات والانكسارات. يمكن تنفيذ هذه التأثيرات عن طريق إطلاق أشعة إضافية من نقطة التقاطع.

مثال: حساب الإضاءة المنتشرة

            vec3 calculateDiffuse(vec3 normal, vec3 lightDirection, vec3 objectColor) {
  float diffuseIntensity = max(dot(normal, lightDirection), 0.0);
  return diffuseIntensity * objectColor;
}

            

              
                Copy
              
            
          

اعتبارات الأداء والتحسينات

يعد تتبع الأشعة عملية مكثفة حسابيًا، ويتطلب تحقيق أداء في الزمن الحقيقي في WebGL تحسينًا دقيقًا. فيما يلي بعض التقنيات الرئيسية:

• هياكل التسريع: كما ذكرنا سابقًا، يعد استخدام هياكل التسريع مثل BVHs أمرًا بالغ الأهمية لتقليل عدد اختبارات التقاطع.
• الإنهاء المبكر للشعاع: إنهاء الأشعة مبكرًا إذا لم تساهم بشكل كبير في الصورة النهائية. على سبيل المثال، يمكن إنهاء أشعة الظل بمجرد أن تصطدم بكائن.
• أخذ العينات التكيفي: استخدام عدد متغير من العينات لكل بكسل، اعتمادًا على تعقيد المشهد. يمكن تصيير المناطق ذات التفاصيل العالية أو الإضاءة المعقدة بعدد أكبر من العينات.
• تقليل التشويش (Denoising): استخدام خوارزميات تقليل التشويش لتقليل الضوضاء في الصورة المصيرة، مما يسمح بعدد أقل من العينات لكل بكسل.
• تحسينات مظلل الحوسبة: تحسين كود مظلل الحوسبة عن طريق تقليل الوصول إلى الذاكرة، واستخدام عمليات المتجهات، وتجنب التفرع.
• ضبط حجم مجموعة العمل: تجربة أحجام مختلفة لمجموعات العمل للعثور على التكوين الأمثل لوحدة معالجة الرسومات المستهدفة.
• استخدام تتبع الأشعة المسرع بالأجهزة (إذا كان متاحًا): تقدم بعض وحدات معالجة الرسومات الآن أجهزة مخصصة لتتبع الأشعة. تحقق من الامتدادات التي تكشف عن هذه الوظيفة في WebGL واستخدمها.

أمثلة وتطبيقات عالمية

لتتبع الأشعة في WebGL العديد من التطبيقات المحتملة في مختلف الصناعات على مستوى العالم:

• الألعاب: تعزيز الدقة البصرية للألعاب المستندة إلى الويب بإضاءة وانعكاسات وظلال واقعية.
• تصور المنتجات: إنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد تفاعلية للمنتجات بتصيير واقعي للتجارة الإلكترونية والتسويق. على سبيل المثال، يمكن لشركة أثاث في السويد أن تسمح للعملاء بتصور الأثاث في منازلهم بإضاءة وانعكاسات دقيقة.
• التصور المعماري: تصور التصاميم المعمارية بإضاءة ومواد واقعية. يمكن لشركة معمارية في دبي استخدام تتبع الأشعة لعرض تصميمات المباني بمحاكاة دقيقة لأشعة الشمس والظلال.
• الواقع الافتراضي (VR) والواقع المعزز (AR): تحسين واقعية تجارب الواقع الافتراضي والواقع المعزز من خلال دمج تأثيرات تتبع الأشعة. على سبيل المثال، يمكن لمتحف في لندن أن يقدم جولة افتراضية بتفاصيل بصرية محسنة من خلال تتبع الأشعة.
• التصور العلمي: تصور البيانات العلمية المعقدة بتقنيات تصيير واقعية. يمكن لمختبر أبحاث في اليابان استخدام تتبع الأشعة لتصور الهياكل الجزيئية بإضاءة وظلال دقيقة.
• التعليم: تطوير أدوات تعليمية تفاعلية توضح مبادئ البصريات ونقل الضوء.

التحديات والتوجهات المستقبلية

بينما أصبح تتبع الأشعة في الزمن الحقيقي في WebGL ممكنًا بشكل متزايد، لا تزال هناك عدة تحديات:

• الأداء: لا يزال تحقيق معدلات إطارات عالية مع المشاهد المعقدة يمثل تحديًا.
• التعقيد: يتطلب تنفيذ متتبع أشعة كامل جهدًا برمجيًا كبيرًا.
• دعم الأجهزة: لا تدعم جميع وحدات معالجة الرسومات الامتدادات اللازمة لمظللات الحوسبة أو تتبع الأشعة المسرع بالأجهزة.

تشمل التوجهات المستقبلية لتتبع الأشعة في WebGL ما يلي:

• تحسين دعم الأجهزة: مع دمج المزيد من وحدات معالجة الرسومات لأجهزة تتبع الأشعة المخصصة، سيتحسن الأداء بشكل كبير.
• واجهات برمجة التطبيقات الموحدة: سيؤدي تطوير واجهات برمجة تطبيقات موحدة لتتبع الأشعة المسرع بالأجهزة في WebGL إلى تبسيط عملية التنفيذ.
• تقنيات تقليل التشويش المتقدمة: ستسمح خوارزميات تقليل التشويش الأكثر تطورًا بصور عالية الجودة مع عدد أقل من العينات.
• التكامل مع WebAssembly (Wasm): يمكن أن يؤدي استخدام WebAssembly لتنفيذ الأجزاء المكثفة حسابيًا من متتبع الأشعة إلى تحسين الأداء.

الخاتمة

يعد تتبع الأشعة في الزمن الحقيقي في WebGL باستخدام مظللات الحوسبة مجالًا سريع التطور لديه القدرة على إحداث ثورة في رسومات الويب. من خلال فهم أساسيات تتبع الأشعة، والاستفادة من قوة مظللات الحوسبة، وتوظيف تقنيات التحسين، يمكن للمطورين إنشاء تجارب بصرية مذهلة كانت تعتبر في يوم من الأيام مستحيلة في متصفح الويب. مع استمرار تحسن الأجهزة والبرامج، يمكننا أن نتوقع رؤية تطبيقات أكثر إثارة للإعجاب لتتبع الأشعة على الويب في السنوات القادمة، متاحة لجمهور عالمي من أي جهاز به متصفح حديث.

لقد قدم هذا الدليل نظرة عامة شاملة على المفاهيم والتقنيات المستخدمة في تنفيذ تتبع الأشعة في الزمن الحقيقي في WebGL. نحن نشجع المطورين في جميع أنحاء العالم على تجربة هذه التقنيات والمساهمة في تقدم رسومات الويب.