هيكل تسريع تتبع الأشعة في WebGL: تنظيم البيانات المكانية لتطبيقات ثلاثية الأبعاد عالمية

تتبع الأشعة هو أسلوب عرض قوي يحاكي الطريقة التي يتصرف بها الضوء في العالم الحقيقي. ينتج صورًا واقعية عن طريق تتبع مسار أشعة الضوء عبر مشهد. في حين أن تتبع الأشعة يوفر جودة بصرية فائقة، إلا أنه مكثف من الناحية الحسابية. لتحقيق معدلات إطارات في الوقت الفعلي أو التفاعلية، خاصة في تطبيقات WebGL المستندة إلى المتصفح، تعد هياكل التسريع ضرورية. تستكشف هذه المقالة المفاهيم الأساسية لهياكل التسريع المستخدمة في تتبع الأشعة WebGL، مع التركيز على تنظيم البيانات المكانية وتأثيرها على الأداء.

الحاجة إلى هياكل التسريع

بدون هياكل التسريع، يتضمن تتبع الأشعة تقاطع كل شعاع مع كل كائن في المشهد. تؤدي طريقة القوة الغاشمة هذه إلى تعقيد O (n) لكل شعاع، حيث 'n' هو عدد العناصر الأولية (مثلثات، كرات، إلخ) في المشهد. بالنسبة للمشاهد المعقدة التي تحتوي على ملايين العناصر الأولية، يصبح هذا مكلفًا بشكل كبير.

تعمل هياكل التسريع على تخفيف هذه المشكلة عن طريق تنظيم هندسة المشهد بطريقة تسمح لنا بالتخلص بسرعة من أجزاء كبيرة من المشهد التي من غير المحتمل أن يتقاطع معها شعاع معين. يقللون من عدد اختبارات تقاطع الشعاع والبدائيات، مما يحسن أداء العرض بشكل كبير. تخيل البحث عن كتاب معين في مكتبة. بدون فهرس (هيكل تسريع)، سيتعين عليك التحقق من كل كتاب على كل رف. يسمح لك الفهرس بتحديد القسم ذي الصلة بسرعة والعثور على الكتاب بكفاءة. تعمل هياكل التسريع على خدمة غرض مماثل في تتبع الأشعة.

هياكل التسريع الشائعة

يتم استخدام عدة أنواع من هياكل التسريع بشكل شائع في تتبع الأشعة. الأكثر انتشارًا هو تسلسل حجم الإحاطة (BVH)، ولكن يتم أيضًا استخدام هياكل أخرى مثل أشجار k-d و الشبكات الموحدة. تركز هذه المقالة على BVHs نظرًا لمرونتها وكفاءتها في التعامل مع المشاهد المتنوعة.

تسلسل حجم الإحاطة (BVH)

BVH هو هيكل بيانات يشبه الشجرة حيث تمثل كل عقدة حجم إحاطة يحيط بمجموعة من العناصر الأولية. تحيط العقدة الجذرية بالمشهد بأكمله، وتحيط كل عقدة داخلية بمجموعة فرعية من هندسة المشهد. تحتوي العقد الطرفية على مراجع للعناصر الأولية الفعلية (مثل المثلثات).

المبدأ الأساسي لـ BVH هو اختبار شعاع مقابل حجم الإحاطة لعقدة. إذا لم يتقاطع الشعاع مع حجم الإحاطة، فلن يتمكن من تقاطع أي من العناصر الأولية الموجودة داخل تلك العقدة، ويمكننا تخطي اجتياز الشجرة الفرعية. إذا تقاطع الشعاع مع حجم الإحاطة، فإننا نجتاز العقد التابعة بشكل متكرر حتى نصل إلى العقد الطرفية، حيث نقوم بإجراء اختبارات تقاطع الشعاع والبدائيات.

إنشاء BVH:

يعد بناء BVH خطوة حاسمة تؤثر بشكل كبير على أدائه. يقلل BVH المُنشأ جيدًا من عدد اختبارات تقاطع حجم الإحاطة. هناك نهجان أساسيان لبناء BVH: من الأعلى إلى الأسفل ومن الأسفل إلى الأعلى.

• إنشاء من الأعلى إلى الأسفل: يبدأ هذا النهج بالعقدة الجذرية ويقسمها بشكل متكرر حتى يتم استيفاء معايير الإنهاء معينة. تتضمن عملية التقسيم عادةً اختيار مستوى تقسيم يقسم العناصر الأولية إلى مجموعتين. يعد اختيار مستوى التقسيم أمرًا بالغ الأهمية. تشمل الاستراتيجيات الشائعة ما يلي:
• التقسيم الوسيط المكاني: يقسم العناصر الأولية بناءً على موضعها المكاني على طول محور (مثل X أو Y أو Z). هذه طريقة بسيطة وسريعة، ولكنها قد لا تؤدي دائمًا إلى أشجار متوازنة.
• التقسيم الوسيط للكائن: يقسم العناصر الأولية بناءً على متوسط مراكزها. غالبًا ما ينتج هذا أشجارًا متوازنة بشكل أفضل من التقسيم الوسيط المكاني.
• الاستدلال التجريبي لمساحة السطح (SAH): هذا نهج أكثر تطورًا يقدر تكلفة اجتياز الشجرة بناءً على مساحة سطح أحجام الإحاطة. يهدف SAH إلى تقليل تكلفة الاجتياز المتوقعة عن طريق اختيار مستوى التقسيم الذي يؤدي إلى أقل تكلفة إجمالية. ينتج SAH بشكل عام أكثر BVHs كفاءة، ولكنه أيضًا الأكثر تكلفة من الناحية الحسابية للبناء.
• إنشاء من الأسفل إلى الأعلى: يبدأ هذا النهج بالعناصر الأولية الفردية كعقد طرفية ويدمجها بشكل متكرر في أحجام إحاطة أكبر حتى يتم تشكيل عقدة جذرية واحدة. هذا أقل شيوعًا لـ BVHs تتبع الأشعة ولكنه قد يكون مفيدًا في المشاهد الديناميكية حيث تتغير الهندسة بشكل متكرر.

معايير الإنهاء:

تستمر عملية التقسيم حتى يتم استيفاء معيار الإنهاء. تشمل معايير الإنهاء الشائعة ما يلي:

• أقصى عمق للشجرة: يحد من عمق الشجرة لمنع الاستخدام المفرط للذاكرة أو عبء اجتيازها.
• الحد الأدنى لعدد العناصر الأولية لكل عقدة: يتوقف عن تقسيم عقدة عندما تحتوي على عدد صغير من العناصر الأولية. القيمة النموذجية هي 1-4 عناصر أولية.
• عتبة التكلفة: يتوقف عن تقسيم عقدة عندما تتجاوز التكلفة المقدرة للتقسيم الإضافي عتبة معينة.

اجتياز BVH:

خوارزمية اجتياز BVH هي عملية متكررة تحدد بكفاءة العناصر الأولية في المشهد التي يتقاطع معها شعاع معين. تبدأ الخوارزمية عند العقدة الجذرية وتتقدم على النحو التالي:

1. اختبر الشعاع مقابل حجم الإحاطة للعقدة الحالية.
2. إذا لم يتقاطع الشعاع مع حجم الإحاطة، فإن الاجتياز يتوقف لتلك العقدة وشجرتها الفرعية.
3. إذا تقاطع الشعاع مع حجم الإحاطة، فإن الخوارزمية تجتاز العقد التابعة بشكل متكرر.
4. عند الوصول إلى عقدة طرفية، تقوم الخوارزمية بإجراء اختبارات تقاطع الشعاع والبدائيات لكل عنصر أولي موجود في العقدة الطرفية.

تقنيات تنظيم البيانات المكانية

الطريقة التي يتم بها تنظيم البيانات داخل هيكل التسريع تؤثر بشكل كبير على أدائه. يتم توظيف عدة تقنيات لتحسين تنظيم البيانات المكانية:

إحكام حجم الإحاطة

تقلل أحجام الإحاطة الضيقة من احتمالية الإيجابيات الكاذبة أثناء اختبارات تقاطع حجم الإحاطة. يتناسب حجم الإحاطة الضيق بشكل وثيق مع الهندسة المغلقة، مما يقلل المساحة الفارغة حولها. تشمل أنواع حجم الإحاطة الشائعة ما يلي:

• صناديق الإحاطة المحاذية للمحور (AABBs): AABBs هي النوع الأكثر شيوعًا من حجم الإحاطة نظرًا لبساطتها وكفاءتها. يتم تحديدها بواسطة إحداثياتها الدنيا والقصوى على طول كل محور. يسهل إنشاء AABBs وتقاطعها مع الأشعة.
• صناديق الإحاطة الموجهة (OBBs): OBBs أكثر ملاءمة من AABBs، خاصة بالنسبة للكائنات غير المصطفة مع محاور الإحداثيات. ومع ذلك، فإن OBBs أكثر تكلفة للبناء والتقاطع مع الأشعة.
• الكرات: الكرات سهلة الإنشاء والتقاطع مع الأشعة، ولكنها قد لا تكون مناسبة لجميع أنواع الهندسة.

يعتمد اختيار نوع حجم الإحاطة المناسب على التطبيق المحدد والمقايضة بين الإحكام والأداء.

ترتيب العقد وتخطيط الذاكرة

يمكن أن يؤثر الترتيب الذي يتم به تخزين العقد في الذاكرة بشكل كبير على اتساق ذاكرة التخزين المؤقت وأداء الاجتياز. يمكن أن يؤدي تخزين العقد التي من المحتمل الوصول إليها معًا في مواقع ذاكرة متجاورة إلى تحسين استخدام ذاكرة التخزين المؤقت وتقليل زمن الوصول إلى الذاكرة.

تشمل تقنيات ترتيب العقد الشائعة ما يلي:

• ترتيب العمق أولاً: يتم تخزين العقد بالترتيب الذي تتم زيارتها به أثناء اجتياز الشجرة من العمق إلى الأمام. يمكن لهذا النهج تحسين اتساق ذاكرة التخزين المؤقت للأشعة التي تجتاز مسارًا طويلاً عبر الشجرة.
• ترتيب العرض أولاً: يتم تخزين العقد بالترتيب الذي تتم زيارتها به أثناء اجتياز الشجرة من العرض إلى الأمام. يمكن لهذا النهج تحسين اتساق ذاكرة التخزين المؤقت للأشعة التي تتقاطع مع عدد كبير من العقد على نفس مستوى الشجرة.
• التبسيط: يتم تبسيط BVH في مصفوفة مسطحة، غالبًا باستخدام كود مورتون أو منحنى مماثل لملء الفراغ. يمكن لهذا تحسين اتساق ذاكرة التخزين المؤقت وتمكين الاجتياز الفعال على وحدات معالجة الرسومات.

تعتمد تقنية ترتيب العقد المثلى على معمارية الأجهزة المحددة وخصائص المشهد.

ترتيب العناصر الأولية

يمكن أن يؤثر الترتيب الذي يتم به تخزين العناصر الأولية داخل العقد الطرفية على الأداء أيضًا. يمكن أن يؤدي تجميع العناصر الأولية المتماسكة مكانيًا إلى تحسين اتساق ذاكرة التخزين المؤقت وتقليل عدد أخطاء ذاكرة التخزين المؤقت أثناء اختبارات تقاطع الشعاع والبدائيات. يمكن استخدام تقنيات مثل منحنيات ملء الفراغ (مثل ترتيب مورتون) لترتيب العناصر الأولية بناءً على موقعها المكاني.

اعتبارات WebGL

يمثل تطبيق تتبع الأشعة وهياكل التسريع في WebGL تحديات واعتبارات فريدة:

نقل البيانات وإدارة الذاكرة

يمكن أن يكون نقل كميات كبيرة من البيانات (مثل بيانات الرأس، عقد BVH) من JavaScript إلى وحدة معالجة الرسومات بمثابة عنق الزجاجة. تعد تقنيات نقل البيانات الفعالة أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق أداء جيد. يمكن أن يساعد استخدام المصفوفات المكتوبة (مثل Float32Array و Uint32Array) وتقليل عدد عمليات نقل البيانات في تقليل النفقات العامة.

تعد إدارة الذاكرة مهمة أيضًا، خاصة بالنسبة للمشاهد الكبيرة. يحتوي WebGL على موارد ذاكرة محدودة، ومن الضروري تخصيص الذاكرة وتحريرها بكفاءة لتجنب أخطاء نفاد الذاكرة.

أداء الظل

عادةً ما يتم تنفيذ منطق تتبع الأشعة واجتياز BVH في التظليل (مثل GLSL). يعد تحسين رمز التظليل أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق أداء جيد. يتضمن ذلك تقليل عدد التعليمات واستخدام أنواع البيانات الفعالة وتجنب التشعب.

مثال: بدلاً من استخدام عبارة `if` عامة للتحقق من تقاطع ray-AABB، استخدم خوارزمية تقاطع اللوح المحسنة لتحسين الأداء. تم تصميم خوارزمية تقاطع اللوح خصيصًا لـ AABBs ويمكن تنفيذها بعدد أقل من التعليمات.

العمليات غير المتزامنة

يمكن أن يكون بناء هيكل التسريع عملية تستغرق وقتًا طويلاً، خاصة بالنسبة للمشاهد الكبيرة. يمكن أن يمنع أداء هذه العملية بشكل غير متزامن (مثل استخدام عمال الويب) المتصفح من الاستجابة. يمكن للخيط الرئيسي الاستمرار في عرض المشهد أثناء بناء هيكل التسريع في الخلفية.

WebGPU

يجلب ظهور WebGPU تحكمًا مباشرًا أكثر في وحدة معالجة الرسومات، مما يفتح إمكانيات لتنفيذات تتبع الأشعة الأكثر تطوراً. باستخدام ميزات مثل ظلال الحساب، يمكن للمطورين إدارة الذاكرة بكفاءة أكبر وتنفيذ هياكل تسريع مخصصة. يؤدي هذا إلى تحسين الأداء مقارنةً بـ WebGL التقليدي.

أمثلة على التطبيقات العالمية

يفتح تتبع الأشعة في WebGL، والذي يتم تسريعه عن طريق تنظيم البيانات المكانية الفعال، إمكانيات جديدة لتطبيقات عالمية مختلفة:

• أدوات تكوين المنتجات التفاعلية: تمكين العملاء من جميع أنحاء العالم من تخصيص المنتجات (مثل الأثاث والسيارات) في الوقت الفعلي من خلال العرض الواقعي. تخيل شركة أثاث أوروبية تسمح للمستخدمين في آسيا بتصور كيف سيبدو الأريكة في غرفة معيشتهم بأقمشة وظروف إضاءة مختلفة، كل ذلك داخل متصفح الويب.
• التصور المعماري: السماح للمهندسين المعماريين والمصممين في جميع أنحاء العالم بإنشاء واستكشاف عروض واقعية للمباني والديكورات الداخلية في المتصفح. يمكن لشركة تصميم في أستراليا أن تتعاون مع عملاء في أمريكا الشمالية في مشروع بناء، باستخدام تتبع الأشعة WebGL لتصور تغييرات التصميم في الوقت الفعلي.
• التصور العلمي: تصور مجموعات البيانات العلمية المعقدة (مثل عمليات المسح الطبية ونماذج المناخ) ثلاثية الأبعاد بدقة بصرية عالية. يمكن للباحثين في جميع أنحاء العالم تحليل البيانات بشكل تعاوني من خلال صور مفصلة بتتبع الأشعة.
• الألعاب والترفيه: قم بإنشاء تجارب ألعاب غامرة بإضاءة وظلال واقعية، يمكن للاعبين في جميع أنحاء العالم الوصول إليها من خلال متصفحات الويب الخاصة بهم.
• التجارة الإلكترونية: تحسين تجارب التسوق عبر الإنترنت من خلال توفير تصورات واقعية للمنتجات. على سبيل المثال، يمكن لمتاجر المجوهرات في هونغ كونغ أن تعرض التألق والانعكاسات في الماس الخاص بها مع العرض المتتبع بالأشعة، مما يسمح للمشترين المحتملين في جميع أنحاء العالم بتقدير جودة الأحجار الكريمة.

رؤى قابلة للتنفيذ وأفضل الممارسات

• اختر هيكل التسريع المناسب: ضع في اعتبارك خصائص المشهد الخاص بك (مثل الثابت مقابل الديناميكي، وعدد العناصر الأولية) عند تحديد هيكل تسريع. تعد BVHs بشكل عام اختيارًا جيدًا لمعظم المشاهد، ولكن قد تكون الهياكل الأخرى مثل أشجار k-d أو الشبكات الموحدة أكثر ملاءمة لحالات استخدام معينة.
• تحسين بناء BVH: استخدم SAH لـ BVHs عالية الجودة، ولكن ضع في اعتبارك استراتيجيات التقسيم الأكثر بساطة مثل المتوسط المكاني أو المتوسط للكائن للحصول على أوقات بناء أسرع، خاصة في المشاهد الديناميكية.
• استخدم أحجام الإحاطة الضيقة: اختر نوع حجم الإحاطة الذي يناسب الهندسة عن كثب لتقليل عدد الإيجابيات الكاذبة أثناء اختبارات تقاطع حجم الإحاطة.
• تحسين ترتيب العقد: جرب تقنيات ترتيب العقد المختلفة (مثل العمق أولاً، والعرض أولاً، والتبسيط) لتحسين اتساق ذاكرة التخزين المؤقت وأداء الاجتياز.
• تقليل عمليات نقل البيانات: استخدم المصفوفات المكتوبة وتقليل عدد عمليات نقل البيانات بين JavaScript ووحدة معالجة الرسومات.
• تحسين كود الظل: قلل عدد التعليمات، واستخدم أنواع البيانات الفعالة، وتجنب التشعب في التظليل.
• استخدم العمليات غير المتزامنة: قم بإجراء بناء BVH والعمليات الأخرى التي تستغرق وقتًا طويلاً بشكل غير متزامن لمنع المتصفح من الاستجابة.
• استفد من WebGPU: استكشف قدرات WebGPU لإدارة الذاكرة الأكثر كفاءة وتنفيذ هياكل التسريع المخصصة.
• وضع ملف التعريف والمعيار: قم بانتظام بوضع ملف تعريف وقياس الأداء الخاص بك لتحديد عنق الزجاجة في الأداء وتحسينه وفقًا لذلك. استخدم أدوات مطور المتصفح لتحليل معدلات الإطارات واستخدام الذاكرة وأداء التظليل.

الخلاصة

تعتبر هياكل التسريع ضرورية لتحقيق أداء تتبع الأشعة في الوقت الفعلي في WebGL. من خلال تنظيم البيانات المكانية بكفاءة، تقلل هذه الهياكل من عدد اختبارات تقاطع الشعاع والبدائيات وتمكن من عرض المشاهد ثلاثية الأبعاد المعقدة. يعد فهم الأنواع المختلفة لهياكل التسريع، وتقنيات تنظيم البيانات المكانية، والاعتبارات الخاصة بـ WebGL أمرًا بالغ الأهمية لتطوير تطبيقات تتبع الأشعة عالية الأداء والتي يمكن الوصول إليها عالميًا. نظرًا لاستمرار تطور WebGPU، ستتوسع إمكانيات تتبع الأشعة في المتصفح بشكل أكبر، مما يتيح تطبيقات جديدة ومثيرة عبر مختلف الصناعات.