WebGL разширения за проследяване на лъчи: Отключване на хардуерно ускорено проследяване на лъчи в уеб

Години наред проследяването на лъчи беше Светият Граал на компютърната графика, обещавайки фотореалистични изображения с точно осветление, отражения и сенки. Макар традиционно да беше запазено за офлайн рендиране поради своята изчислителна интензивност, последните постижения в хардуера превърнаха проследяването на лъчи в реално време в реалност. Сега, с появата на WebGL разширенията за проследяване на лъчи, тази мощна технология е напът да революционизира уеб-базираната графика.

Какво е проследяване на лъчи?

Проследяването на лъчи е техника за рендиране, която симулира начина, по който светлината взаимодейства с обекти в една сцена. Вместо да растеризира полигони, проследяването на лъчи следва пътя на светлинните лъчи от камерата, проследявайки ги през сцената, докато не се пресекат с обекти. Чрез изчисляване на цвета и интензивността на всеки лъч, проследяването на лъчи създава изображения с реалистично осветление, отражения и сенки.

За разлика от растеризацията, която апроксимира тези ефекти, проследяването на лъчи осигурява по-физически точно представяне на преноса на светлина, което води до зашеметяващи визуални ефекти. Тази точност обаче има значителна изчислителна цена, което прави проследяването на лъчи в реално време предизвикателство.

Възходът на хардуерно ускореното проследяване на лъчи

За да преодолеят изчислителните ограничения на традиционното проследяване на лъчи, производителите на графични карти разработиха специализиран хардуер за ускоряване на изчисленията за проследяване на лъчи. Технологии като RTX на NVIDIA и Radeon RX серията на AMD включват специализирани ядра за проследяване на лъчи, които значително повишават производителността, правейки проследяването на лъчи в реално време възможно.

Тези хардуерни подобрения проправиха пътя за нови техники за рендиране, които използват проследяването на лъчи, за да постигнат безпрецедентни нива на реализъм. Игри, симулации и други приложения вече включват отражения, сенки, глобално осветление и други, създадени чрез проследяване на лъчи, създавайки поглъщащи и визуално зашеметяващи изживявания.

WebGL разширения за проследяване на лъчи: Пренасяне на проследяването на лъчи в уеб

WebGL, стандартният API за рендиране на интерактивна 2D и 3D графика в уеб браузърите, традиционно разчиташе на растеризация. Въпреки това, с въвеждането на разширенията за проследяване на лъчи, WebGL вече е способен да използва силата на хардуерно ускореното проследяване на лъчи. Това отваря свят от възможности за уеб-базираната графика, позволявайки на разработчиците да създават по-реалистични и ангажиращи изживявания директно в браузъра.

Тези разширения предоставят механизъм за достъп до основния хардуер за проследяване на лъчи чрез JavaScript и GLSL (OpenGL Shading Language), езикът за шейдъри, използван от WebGL. Използвайки тези разширения, разработчиците могат да интегрират проследяване на лъчи в своите уеб приложения, възползвайки се от предимствата на производителността на специализирания хардуер за проследяване на лъчи.

Ключови WebGL разширения за проследяване на лъчи:

• GL_EXT_ray_tracing: Това основно разширение предоставя основата за проследяване на лъчи в WebGL, дефинирайки основните функции и структури от данни за проследяване на лъчи. То позволява на разработчиците да създават ускоряващи структури, да изстрелват лъчи и да получават достъп до резултатите от проследяването на лъчи.
• GL_EXT_acceleration_structure: Това разширение дефинира ускоряващи структури, които са йерархични структури от данни, използвани за ефективно пресичане на лъчи с геометрията на сцената. Изграждането и управлението на ускоряващи структури е решаваща стъпка в проследяването на лъчи, тъй като значително влияе върху производителността.
• GL_EXT_ray_query: Това разширение предоставя механизъм за запитване на резултатите от проследяването на лъчи, като например разстоянието до попадението, геометрията на попадението и нормалата на повърхността в точката на пресичане. Тази информация е от съществено значение за изчисленията на засенчването и осветлението.

Предимства на WebGL проследяването на лъчи

Въвеждането на разширения за проследяване на лъчи в WebGL предлага няколко значителни предимства:

• Подобрено визуално качество: Проследяването на лъчи позволява по-реалистично рендиране на отражения, сенки и глобално осветление, което води до визуално зашеметяващи и поглъщащи уеб изживявания.
• Подобрена производителност: Хардуерно ускореното проследяване на лъчи осигурява значителни подобрения в производителността в сравнение с традиционните техники, базирани на растеризация, позволявайки по-сложни и детайлни сцени.
• Нови творчески възможности: Проследяването на лъчи отваря нови творчески възможности за уеб разработчиците, като им позволява да създават иновативни и визуално завладяващи приложения, които преди са били невъзможни.
• Крос-платформена съвместимост: WebGL е крос-платформен API, което означава, че приложенията за проследяване на лъчи, разработени с WebGL, ще работят на всяко устройство със съвместим браузър и хардуер.
• Достъпност: WebGL предоставя удобна и достъпна платформа за разпространение на приложения за проследяване на лъчи, тъй като потребителите могат просто да ги достъпват чрез уеб браузър, без да е необходимо да инсталират допълнителен софтуер.

Случаи на употреба за WebGL проследяване на лъчи

WebGL проследяването на лъчи има широк спектър от потенциални приложения в различни индустрии:

• Игри: Проследяването на лъчи може да подобри визуалната вярност на уеб-базираните игри, създавайки по-поглъщащи и реалистични игрови изживявания. Представете си да играете шутър от първо лице с отражения и сенки, проследени с лъчи, или да изследвате виртуален свят с реалистично глобално осветление.
• Визуализация на продукти: Проследяването на лъчи може да се използва за създаване на реалистични рендъри на продукти, позволявайки на клиентите да ги разгледат в детайли преди да направят покупка. Например, търговец на мебели може да използва проследяване на лъчи, за да покаже текстурите и осветлението на своите продукти във виртуален шоурум.
• Архитектурна визуализация: Архитектите могат да използват проследяване на лъчи, за да създават реалистични визуализации на сгради и интериори, позволявайки на клиентите да изследват техните проекти в детайли. Това може да помогне на клиентите да разберат по-добре дизайна и да вземат информирани решения. Представете си да изследвате виртуален модел на сграда с реалистично осветление и отражения, което ви позволява да изживеете пространството, преди дори да е построено.
• Виртуална реалност (VR) и разширена реалност (AR): Проследяването на лъчи може да подобри реализма на VR и AR изживяванията, създавайки по-поглъщащи и ангажиращи среди. Например, проследяването на лъчи може да се използва за създаване на реалистични сенки и отражения във VR игра или за точно наслагване на виртуални обекти върху реалния свят в AR приложение.
• Научна визуализация: Проследяването на лъчи може да се използва за визуализиране на сложни научни данни, като симулации на флуидна динамика или молекулярни структури. Това може да помогне на учените да придобият по-добро разбиране на своите данни и да направят нови открития.
• Образование: Проследяването на лъчи може да се използва за създаване на интерактивни образователни симулации, позволявайки на учениците да изследват сложни концепции по визуално ангажиращ начин. Например, симулация по физика може да използва проследяване на лъчи, за да симулира точно поведението на светлината, позволявайки на учениците да визуализират принципите на оптиката.

Технически съображения

Въпреки че WebGL проследяването на лъчи предлага много предимства, има и няколко технически съображения, които трябва да се имат предвид:

• Хардуерни изисквания: Проследяването на лъчи изисква специализиран хардуер, като например графични процесори от серията NVIDIA RTX или AMD Radeon RX. Приложенията, използващи проследяване на лъчи, няма да работят или ще работят лошо на системи без такъв хардуер.
• Оптимизация на производителността: Проследяването на лъчи може да бъде изчислително интензивно, затова е важно да се оптимизира сцената и кодът за проследяване на лъчи, за да се постигне добра производителност. Това може да включва използването на техники като ниво на детайлност (LOD) и адаптивно семплиране.
• Управление на ускоряващи структури: Изграждането и управлението на ускоряващи структури е от решаващо значение за производителността на проследяването на лъчи. Разработчиците трябва внимателно да обмислят избора на ускоряваща структура и стратегията за нейното актуализиране при промяна на сцената.
• Сложност на шейдърите: Шейдърите за проследяване на лъчи могат да бъдат сложни, изисквайки добро разбиране на GLSL и алгоритмите за проследяване на лъчи. Може да се наложи разработчиците да научат нови техники за писане на ефективни и ефикасни шейдъри за проследяване на лъчи.
• Отстраняване на грешки (Debugging): Отстраняването на грешки в кода за проследяване на лъчи може да бъде предизвикателство, тъй като включва проследяване на пътищата на отделни лъчи. Може да се наложи разработчиците да използват специализирани инструменти за отстраняване на грешки, за да идентифицират и поправят грешки.

Пример: Внедряване на отражения с проследяване на лъчи в WebGL

Нека разгледаме опростен пример за това как да се внедрят отражения с проследяване на лъчи в WebGL, използвайки разширенията за проследяване на лъчи. Този пример предполага, че имате настроена основна WebGL сцена с камера, сценограф и материална система.

1. Създаване на ускоряваща структура:

   Първо, трябва да създадете ускоряваща структура, която представя геометрията на сцената. Това може да се направи с помощта на разширението GL_EXT_acceleration_structure. Ускоряващата структура ще се използва за ефективно пресичане на лъчи със сцената.

2. Написване на шейдър за генериране на лъчи:

   След това трябва да напишете шейдър за генериране на лъчи, който ще изстрелва лъчи от камерата. Този шейдър ще итерира през пикселите на екрана и ще генерира лъч за всеки пиксел.

   Ето опростен пример за шейдър за генериране на лъчи:

               #version 460 core
   #extension GL_EXT_ray_tracing : require
   
   layout(location = 0) rayPayloadInEXT vec3 hitValue;
   
   layout(binding = 0, set = 0) uniform accelerationStructureEXT topLevelAS;
   layout(binding = 1, set = 0) uniform CameraData {
       mat4 viewInverse;
       mat4 projectionInverse;
   } camera;
   
   layout(location = 0) out vec4 outColor;
   
   void main() {
       vec2 uv = vec2(gl_LaunchIDEXT.x, gl_LaunchIDEXT.y) / vec2(gl_LaunchSizeEXT.x, gl_LaunchSizeEXT.y);
       vec4 ndc = vec4(uv * 2.0 - 1.0, 0.0, 1.0);
       vec4 viewSpace = camera.projectionInverse * ndc;
       vec4 worldSpace = camera.viewInverse * vec4(viewSpace.xyz, 0.0);
       vec3 rayOrigin = vec3(camera.viewInverse[3]);
       vec3 rayDirection = normalize(worldSpace.xyz - rayOrigin);
   
       RayDescEXT rayDesc;
       rayDesc.origin = rayOrigin;
       rayDesc.direction = rayDirection;
       rayDesc.tMin = 0.001;
       rayDesc.tMax = 1000.0;
   
       traceRayEXT(topLevelAS, gl_RayFlagsOpaqueEXT, 0xFF, 0, 0, 0, rayDesc, hitValue);
   
       outColor = vec4(hitValue, 1.0);
   }
   
               
   
                 
                   Copy
                 
               
             

3. Написване на шейдър за най-близко попадение (Closest Hit Shader):

   Трябва също да напишете шейдър за най-близко попадение, който ще се изпълни, когато лъч се пресече с обект. Този шейдър ще изчисли цвета на обекта в точката на пресичане и ще го върне като стойност на попадението.

   Ето опростен пример за шейдър за най-близко попадение:

               #version 460 core
   #extension GL_EXT_ray_tracing : require
   
   layout(location = 0) rayPayloadInEXT vec3 hitValue;
   
   hitAttributeEXT vec3 attribs;
   
   layout(location = 0) attributeEXT vec3 normal;
   
   void main() {
       vec3 n = normalize(normal);
       hitValue = vec3(0.5) + 0.5 * n;
   }
   
               
   
                 
                   Copy
                 
               
             

4. Стартиране на конвейера за проследяване на лъчи:

   Накрая, трябва да стартирате конвейера за проследяване на лъчи. Това включва свързване на ускоряващата структура, шейдъра за генериране на лъчи и шейдъра за най-близко попадение, а след това изпращане на изчисленията за проследяване на лъчи.

5. Внедряване на отражения:

   В шейдъра за най-близко попадение, вместо просто да връщате цвета на повърхността, изчислете вектора на отражение. След това изстреляйте нов лъч в посоката на отражението, за да определите цвета на отразения обект. Това изисква рекурсивно извикване на конвейера за проследяване на лъчи (в рамките на ограничения, за да се избегнат безкрайни цикли) или използване на отделен проход за отраженията. Крайният цвят ще бъде комбинация от цвета на повърхността и отразения цвят.

   Това е опростен пример и реалното внедряване би включвало по-сложни изчисления, като обработка на множество отскачания, семплиране на различни източници на светлина и прилагане на анти-алиасинг. Не забравяйте да имате предвид производителността, тъй като проследяването на лъчи може да бъде изчислително скъпо.

Бъдещето на WebGL проследяването на лъчи

WebGL проследяването на лъчи все още е в начален етап, но има потенциала да трансформира уеб-базираната графика. Тъй като хардуерно ускореното проследяване на лъчи става все по-широко достъпно, можем да очакваме да виждаме все повече уеб приложения, които включват тази технология. Това ще доведе до по-реалистични и ангажиращи уеб изживявания в широк спектър от индустрии.

Освен това, текущите усилия за развитие и стандартизация в рамките на Khronos Group, организацията, отговорна за WebGL, вероятно ще доведат до по-нататъшни подобрения в API и увеличено приемане от страна на производителите на браузъри. Това ще направи проследяването на лъчи по-достъпно за уеб разработчиците и ще ускори растежа на екосистемата за WebGL проследяване на лъчи.

Бъдещето на WebGL проследяването на лъчи е светло и можем да очакваме да видим още по-вълнуващи развития през следващите години. С узряването на технологията тя ще отключи нови възможности за уеб-базирана графика и ще създаде ново поколение поглъщащи и визуално зашеметяващи изживявания.

Глобално въздействие и достъпност

Появата на WebGL проследяването на лъчи има потенциала значително да повлияе на глобалната достъпност до висококачествена графика. Традиционните графични приложения от висок клас често изискват специализиран хардуер и софтуер, което ограничава достъпността им до лица и организации с достатъчно ресурси.

WebGL, като уеб-базирана технология, предлага по-демократизиран подход. Докато потребителите имат достъп до съвместим браузър и хардуер (все по-често срещан с приемането на интегрирани графики, способни на проследяване на лъчи), те могат да изпитат тези напреднали графични възможности. Това е особено полезно в региони с ограничен достъп до висок клас хардуер или където лицензите за специализиран софтуер са непосилно скъпи.

Освен това, крос-платформената природа на WebGL гарантира, че приложенията могат да работят на широк спектър от устройства, от настолни компютри и лаптопи до мобилни телефони и таблети. Това допълнително разширява обхвата на технологията за проследяване на лъчи, правейки я достъпна за по-широка глобална аудитория.

Важно е обаче да се признае потенциалът за цифрово разделение, базирано на хардуерните възможности. Въпреки че хардуерът, способен на проследяване на лъчи, става все по-разпространен, той все още не е универсално достъпен. Разработчиците трябва да се стремят да създават приложения, които са мащабируеми и могат да се адаптират към различни хардуерни конфигурации, като гарантират, че потребителите с по-малко мощни устройства все още могат да имат положително изживяване.

Заключение

WebGL разширенията за проследяване на лъчи представляват значителна стъпка напред в еволюцията на уеб-базираната графика. Чрез въвеждането на хардуерно ускорено проследяване на лъчи в уеб браузърите, тези разширения отварят свят от възможности за създаване на по-реалистични, ангажиращи и поглъщащи изживявания. Въпреки че има технически съображения, които трябва да се имат предвид, предимствата на WebGL проследяването на лъчи са неоспорими и можем да очакваме то да играе все по-важна роля в бъдещето на уеб.

С узряването и по-широкото приемане на технологията, тя ще даде възможност на уеб разработчиците да създават иновативни и визуално зашеметяващи приложения, които преди са били невъобразими. Бъдещето на уеб графиката е светло, а WebGL проследяването на лъчи е напът да бъде ключов двигател на тази еволюция.