WebGL Raytracing Global Illumination: Dosažení fyzikálně přesného osvětlení ve webových aplikacích

Snaha o realismus v 3D grafice neustále pohání inovace v renderovacích technikách. Raytracing, kdysi omezený na offline rendering kvůli svým výpočetním nárokům, se nyní stává stále dostupnějším v prostředích v reálném čase, a to díky pokroku v hardwaru a API, jako je WebGL. Tento článek se ponoří do fascinujícího světa WebGL raytracing globálního osvětlení a prozkoumá, jak dosáhnout fyzikálně přesného osvětlení ve webových aplikacích.

Pochopení globálního osvětlení

Globální osvětlení (GI) označuje soubor renderovacích technik, které simulují způsob, jakým se světlo odráží ve scéně, a vytvářejí tak realističtější a pohlcující vizuální zážitek. Na rozdíl od přímého osvětlení, které zohledňuje pouze světelné zdroje přímo osvětlující povrchy, GI zahrnuje nepřímé osvětlení – světlo odražené, lomené nebo rozptýlené od jiných povrchů v prostředí. To zahrnuje efekty jako:

• Difuzní meziodraz: Světlo odrážející se mezi difuzními povrchy, což vede k prolínání barev a jemnému ambientnímu osvětlení. Představte si červenou stěnu vrhající slabý červený odstín na nedalekou bílou podlahu.
• Zrcadlový odraz: Přesné odrazy světelných zdrojů a okolního prostředí na lesklých površích. Představte si odraz okna v leštěné kovové kouli.
• Lom světla: Ohýbání světla při průchodu průhlednými materiály, vytvářející realistické zkreslení a kaustiky. Představte si, jak sklenice vody ohýbá světlo a vytváří vzory na povrchu pod ní.
• Podpovrchový rozptyl (SSS): Světlo pronikající průsvitnými materiály a rozptylující se uvnitř před výstupem, což vede k měkkému, osvětlenému vzhledu. Příklady zahrnují kůži, mramor a mléko.

Dosažení realistického globálního osvětlení významně zlepšuje vizuální kvalitu 3D scén, činí je věrohodnějšími a poutavějšími. Přesná simulace těchto efektů je však výpočetně náročná.

Raytracing: Cesta k realistickému osvětlení

Raytracing je renderovací technika, která simuluje chování světla sledováním paprsků z kamery (nebo oka) skrz každý pixel v obraze a do scény. Když paprsek protne povrch, raytracer určí barvu a jas tohoto bodu s ohledem na světelné efekty v daném místě. Tento proces lze rekurzivně opakovat pro simulaci odrazů, lomů a dalších složitých interakcí světla.

Tradiční rendering založený na rasterizaci, po mnoho let dominantní metoda v grafice v reálném čase, aproximuje globální osvětlení pomocí technik, jako je ambientní okluze, odrazy v prostoru obrazovky a světelné sondy. Ačkoli tyto metody mohou produkovat vizuálně atraktivní výsledky, často postrádají přesnost a fyzikální správnost raytracingu.

Raytracing naopak přirozeně zpracovává efekty globálního osvětlení sledováním cest světelných paprsků, jak interagují se scénou. To umožňuje přesnou simulaci odrazů, lomů a dalších složitých jevů přenosu světla.

WebGL a Raytracing: Rostoucí krajina

WebGL (Web Graphics Library) je JavaScriptové API pro renderování interaktivní 2D a 3D grafiky v jakémkoli kompatibilním webovém prohlížeči bez použití plug-inů. Využívá podkladovou jednotku grafického zpracování (GPU) k zrychlení výkonu renderování. Tradičně byl WebGL spojován s renderingem založeným na rasterizaci.

Nedávné pokroky v WebGL, zejména s představením WebGL 2 a rozšíření, jako jsou GL_EXT_ray_tracing a WEBGL_gpu_acceleration, však otevírají možnosti pro začlenění raytracingových technik do webových aplikací. Tato rozšíření poskytují přístup k funkcionalitě raytracingu akcelerované GPU, což umožňuje vývojářům vytvářet realističtější a vizuálně ohromující webové zážitky.

Existuje několik přístupů pro implementaci raytracingu v WebGL:

• Compute Shadery: Compute shadery umožňují výpočty pro obecné účely na GPU. Raytracingové algoritmy mohou být implementovány pomocí compute shaderů, provádějící testy průsečíků paprsků se scénou a výpočet světelných efektů. Tento přístup vyžaduje více ruční implementace, ale nabízí flexibilitu a kontrolu.
• Hardwarově Akcelerované Raytracingové Rozšíření: Rozšíření jako GL_EXT_ray_tracing poskytují přímý přístup k hardwarovým raytracingovým schopnostem, pokud jsou k dispozici na zařízení uživatele. Tento přístup může významně zlepšit výkon ve srovnání s implementacemi založenými na compute shaderech. Spoléhá se však na dostupnost specifického hardwaru a podpory ovladačů.
• WebGPU: WebGPU je nástupcem WebGL, navrženým tak, aby poskytoval modernější a efektivnější API pro přístup ke schopnostem GPU. WebGPU má nativní podporu pro raytracing, což z něj činí slibnou platformu pro budoucí webové raytracingové aplikace.

Implementace WebGL Raytracing globálního osvětlení

Implementace WebGL raytracing globálního osvětlení je komplexní úkol, který vyžaduje pevné pochopení principů počítačové grafiky, raytracingových algoritmů a programování v WebGL.

Zde je zjednodušený přehled typických kroků:

1. Reprezentace scény: Reprezentujte 3D scénu pomocí datových struktur, které jsou efektivní pro testy průsečíků paprsků se scénou. Běžné datové struktury zahrnují hierarchie ohraničujících objemů (BVH) a k-d stromy. Tyto struktury pomáhají urychlit proces raytracingu rychlým vyloučením velkých částí scény, které pravděpodobně nebudou protnuty daným paprskem.
2. Generování paprsků: Generujte paprsky z kamery skrz každý pixel v obraze. Směr každého paprsku je určen pozicí kamery, orientací a zorným polem.
3. Průsečík paprsku se scénou: Pro každý paprsek proveďte testy průsečíků se všemi objekty ve scéně. To zahrnuje určení, zda paprsek protne každý objekt, a pokud ano, výpočet bodu průsečíku.
4. Stínování: V bodě průsečíku vypočítejte barvu a jas povrchu na základě modelu osvětlení. To zahrnuje zohlednění přímého osvětlení ze světelných zdrojů, stejně jako nepřímého osvětlení z efektů globálního osvětlení.
5. Vzorkování globálního osvětlení: Pro globální osvětlení vrhněte další paprsky z bodu průsečíku, abyste vzorkovali okolní prostředí. Tyto paprsky se používají k odhadu množství světla přicházejícího do bodu z jiných povrchů ve scéně. Techniky jako path tracing, Monte Carlo integrace a vzorkování důležitosti se často používají k efektivnímu vzorkování přenosu světla.
6. Rekurzivní Raytracing: Rekurzivně opakujte kroky 3-5 pro odrazové a lomové paprsky, sledující cesty světla, jak se odráží ve scéně. Hloubka rekurze je typicky omezena, aby se zabránilo nadměrným výpočtům.
7. Výstup: Vystupte finální barvu pro každý pixel na plátno WebGL.

Path Tracing: Výkonná technika globálního osvětlení

Path tracing je Monte Carlo raytracing algoritmus, který simuluje globální osvětlení sledováním náhodných cest světla scénou. Je to koncepčně jednoduchá, ale výkonná technika, která může produkovat vysoce realistické výsledky.

Při path tracingu, místo pouhého sledování paprsků z kamery, jsou paprsky sledovány také ze světelných zdrojů. Tyto paprsky se odrážejí po scéně, interagují s povrchy, dokud se nakonec nedostanou do kamery. Barva každého pixelu je pak určena zprůměrováním příspěvků všech světelných cest, které se dostanou do kamery skrze tento pixel.

Path tracing je ze své podstaty Monte Carlo metoda, což znamená, že se spoléhá na náhodné vzorkování k odhadu přenosu světla. To může vést k zašumělým obrazům, zejména s malým počtem vzorků. Šum však lze snížit zvýšením počtu vzorků na pixel. Techniky progresivního renderování, kde je obraz postupně vylepšován v průběhu času, jak se hromadí další vzorky, se často používají ke zlepšení uživatelského zážitku.

Příklad: Implementace difuzního globálního osvětlení pomocí Path Tracingu

Pojďme se podívat na zjednodušený příklad implementace difuzního globálního osvětlení pomocí path tracingu v WebGL. Tento příklad se zaměřuje na základní koncept sledování paprsků pro shromažďování informací o nepřímém osvětlení.

Fragment Shader (zjednodušený):

            #version 300 es
precision highp float;

in vec3 worldPosition;
in vec3 worldNormal;

uniform vec3 lightPosition;
uniform vec3 cameraPosition;

out vec4 fragColor;

// Random number generator (LCG)
uint seed;
float random(in vec2 uv) {
    seed = (uint(uv.x * 1024.0) * 1664525u + uint(uv.y * 1024.0) * 1013904223u + seed) & 0xffffffffu;
    return float(seed) / float(0xffffffffu);
}

vec3 randomDirection(in vec3 normal) {
    float u = random(gl_FragCoord.xy + vec2(0.0, 0.0));
    float v = random(gl_FragCoord.xy + vec2(0.1, 0.1));
    float theta = acos(u);
    float phi = 2.0 * 3.14159 * v;
    vec3 tangent = normalize(cross(normal, vec3(0.0, 1.0, 0.0)));
    if (length(tangent) < 0.001) {
        tangent = normalize(cross(normal, vec3(1.0, 0.0, 0.0)));
    }
    vec3 bitangent = cross(normal, tangent);

    vec3 direction = normalize(
        normal * cos(theta) +
        tangent * sin(theta) * cos(phi) +
        bitangent * sin(theta) * sin(phi)
    );

    return direction;
}

void main() {
    seed = uint(gl_FragCoord.x * 1024.0 + gl_FragCoord.y);
    vec3 normal = normalize(worldNormal);

    // Direct Lighting (Simplified)
    vec3 lightDir = normalize(lightPosition - worldPosition);
    float diffuse = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    vec3 directLighting = vec3(1.0, 1.0, 1.0) * diffuse;

    // Indirect Lighting (Path Tracing)
    vec3 indirectLighting = vec3(0.0);
    int numSamples = 10;
    for (int i = 0; i < numSamples; ++i) {
        vec3 randomDir = randomDirection(normal);

        //  Simplified: Assume a constant color for simplicity (replace with actual scene sampling)
        indirectLighting += vec3(0.5, 0.5, 0.5); // Example indirect color
    }
    indirectLighting /= float(numSamples);

    fragColor = vec4(directLighting + indirectLighting, 1.0);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Vysvětlení:

• Pozice a Normála světa: Jedná se o interpolované atributy vrcholů předané z vertex shaderu.
• Pozice světla a pozice kamery: Uniformní proměnné reprezentující pozice světelného zdroje a kamery.
• Generátor náhodných čísel: Jednoduchý lineární kongruentní generátor (LCG) se používá k generování pseudo-náhodných čísel pro vzorkování směru. V produkci by se měl použít lepší RNG.
• Náhodný směr: Generuje náhodný směr na hemisféře kolem normálového vektoru. Toto se používá k vzorkování příchozího světla z různých směrů.
• Přímé osvětlení: Vypočítá difuzní složku přímého osvětlení pomocí skalárního součinu normály a směru světla.
• Nepřímé osvětlení (Path Tracing):
  • Smyčka iteruje zadaný početkrát (numSamples).
  • V každé iteraci je generován náhodný směr pomocí funkce randomDirection.
  • Zjednodušené vzorkování scény: V tomto zjednodušeném příkladu předpokládáme konstantní barvu pro nepřímé osvětlení. Ve skutečné implementaci byste sledovali paprsek ve směru randomDir a vzorkovali barvu objektu, který paprsek protne. To zahrnuje rekurzivní raytracing, který v tomto zjednodušeném příkladu není ukázán.
  • Příspěvek nepřímého osvětlení se akumuluje a poté se dělí počtem vzorků, aby se získal průměr.
• Konečná barva: Konečná barva se vypočítá sečtením složek přímého a nepřímého osvětlení.

Důležité poznámky:

• Toto je velmi zjednodušený příklad. Kompletní path tracer vyžaduje sofistikovanější techniky pro průsečíky paprsků se scénou, vyhodnocení materiálu a redukci variance.
• Data scény: Tento příklad předpokládá, že geometrie scény a vlastnosti materiálů jsou již načteny a dostupné v shaderu.
• Implementace Raytracingu: Část raytracingu (sledování paprsků a hledání průsečíků) není v tomto příkladu explicitně ukázána. Předpokládá se, že je zpracována jinou částí kódu, například pomocí compute shaderů nebo hardwarových raytracingových rozšíření. Příklad se zaměřuje na aspekt stínování poté, co paprsek protnul povrch.
• Šum: Path tracing často produkuje zašumělé obrazy, zejména s malým počtem vzorků. Techniky redukce variance, jako je importance sampling a stratified sampling, mohou být použity ke snížení šumu.

Fyzikálně založený rendering (PBR)

Fyzikálně založený rendering (PBR) je přístup k renderování, který si klade za cíl simulovat interakci světla s materiály fyzikálně přesným způsobem. Materiály PBR jsou definovány parametry, které odpovídají reálným fyzikálním vlastnostem, jako jsou:

• Základní barva (Albedo): Vlastní barva materiálu.
• Metalický: Udává, zda je materiál metalický nebo nemetalický.
• Drsnost: Popisuje drsnost povrchu, která ovlivňuje množství zrcadlového odrazu. Drsné povrchy rozptylují světlo difuzněji, zatímco hladké povrchy produkují ostřejší odrazy.
• Zrcadlovost: Ovládá intenzitu zrcadlového odrazu.
• Normal Mapa: Textura, která ukládá normálové vektory, což umožňuje simulaci detailní geometrie povrchu bez skutečného zvýšení počtu polygonů.

Použitím PBR materiálů můžete vytvářet realističtější a konzistentnější světelné efekty napříč různými prostředími. V kombinaci s technikami globálního osvětlení může PBR produkovat výjimečně realistické výsledky.

Integrace PBR s WebGL Raytracing GI

Pro integraci PBR s WebGL raytracing globálním osvětlením je třeba použít vlastnosti PBR materiálu ve výpočtech stínování v rámci raytracingového algoritmu.

To zahrnuje:

• Vyhodnocení BRDF: Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF) popisuje, jak se světlo odráží od povrchu v daném bodě. PBR materiály používají specifické BRDF, které jsou založeny na fyzikálních principech, jako je Cook-Torrance BRDF.
• Vzorkování prostředí: Při výpočtu globálního osvětlení musíte vzorkovat okolní prostředí, abyste odhadli množství světla dopadajícího na povrch. To lze provést pomocí environmentálních map nebo sledováním paprsků k přímému vzorkování scény.
• Použití zachování energie: PBR materiály jsou energeticky úsporné, což znamená, že celkové množství světla odraženého od povrchu nemůže překročit množství světla, které na něj dopadá. Toto omezení pomáhá zajistit, že osvětlení vypadá realisticky.

Cook-Torrance BRDF je populární volbou pro PBR rendering, protože je relativně jednoduchá na implementaci a produkuje realistické výsledky. Skládá se ze tří hlavních složek:

• Difuzní člen: Reprezentuje světlo, které je difuzně rozptýleno z povrchu. Toto se typicky vypočítává pomocí Lambertova kosinusového zákona.
• Zrcadlový člen: Reprezentuje světlo, které se zrcadlově odráží od povrchu. Tato složka se vypočítává pomocí modelu mikroploch, který předpokládá, že povrch je složen z drobných, dokonale odrážejících mikroploch.
• Geometrická funkce: Zohledňuje maskování a stínování mikroploch.
• Fresnelův člen: Popisuje množství světla, které se odráží od povrchu pod různými úhly.
• Distribuční funkce: Popisuje distribuci normál mikroploch.

Úvahy o výkonu

Raytracing, zejména s globálním osvětlením, je výpočetně náročný. Dosažení výkonu v reálném čase v WebGL vyžaduje pečlivou optimalizaci a zohlednění hardwarových možností.

Zde jsou některé klíčové techniky optimalizace výkonu:

• Hierarchie ohraničujících objemů (BVH): Použijte BVH nebo jiné prostorové akcelerační struktury ke snížení počtu testů průsečíků paprsků se scénou.
• Seskupování paprsků (Ray Batching): Zpracovávejte paprsky v dávkách pro zlepšení využití GPU.
• Adaptivní vzorkování: Použijte techniky adaptivního vzorkování k soustředění výpočetních zdrojů na oblasti obrazu, které vyžadují více vzorků.
• Odšumování: Použijte odšumovací algoritmy ke snížení šumu v renderovaných obrazech, což umožňuje méně vzorků na pixel. Temporální akumulace může také pomoci odšumovat konečný obraz.
• Hardwarová akcelerace: Využijte rozšíření pro hardwarový raytracing, pokud jsou k dispozici.
• Nižší rozlišení: Renderujte v nižším rozlišení a poté obraz zvětšete, abyste zlepšili výkon.
• Progresivní rendering: Použijte progresivní rendering pro rychlé zobrazení počátečního obrazu nízké kvality a jeho postupné vylepšování v průběhu času.
• Optimalizace shaderů: Pečlivě optimalizujte kód shaderů, abyste snížili výpočetní náklady na výpočty stínování.

Výzvy a budoucí směry

Zatímco WebGL raytracing globální osvětlení má obrovský potenciál, zůstávají některé výzvy:

• Hardwarové požadavky: Výkon raytracingu silně závisí na podkladovém hardwaru. Ne všechna zařízení podporují hardwarový raytracing a výkon se může výrazně lišit napříč různými GPU.
• Složitost: Implementace raytracingových algoritmů a jejich integrace do stávajících WebGL aplikací může být složitá a časově náročná.
• Optimalizace výkonu: Dosažení výkonu v reálném čase vyžaduje značné úsilí v optimalizaci a pečlivé zvážení hardwarových omezení.
• Podpora prohlížečů: Konzistentní podpora rozšíření pro raytracing v prohlížečích je klíčová pro široké přijetí.

Navzdory těmto výzvám vypadá budoucnost WebGL raytracingu slibně. S dalším vývojem hardwaru a softwaru můžeme očekávat, že do webových aplikací budou začleněny sofistikovanější a výkonnější raytracingové techniky. WebGPU pravděpodobně sehraje hlavní roli v tom, aby se tak stalo.

Budoucí výzkum a vývoj v této oblasti se může zaměřit na:

• Vylepšené Raytracingové algoritmy: Vývoj efektivnějších a robustnějších raytracingových algoritmů, které jsou dobře přizpůsobeny pro webová prostředí.
• Pokročilé Odšumovací techniky: Vytváření účinnějších odšumovacích algoritmů, které dokáží snížit šum v raytracovaných obrazech s minimálním dopadem na výkon.
• Automatická optimalizace: Vývoj nástrojů a technik pro automatickou optimalizaci výkonu raytracingu na základě hardwarových možností a složitosti scény.
• Integrace s AI: Využití AI a strojového učení k zlepšení výkonu a kvality raytracingu, například pomocí AI k urychlení odšumování nebo k inteligentnímu vzorkování scény.

Závěr

WebGL raytracing globální osvětlení představuje významný krok k dosažení fyzikálně přesného osvětlení ve webových aplikacích. Využitím síly raytracingu a PBR mohou vývojáři vytvářet realističtější a pohlcující 3D zážitky, které byly dříve možné pouze v offline renderovacích prostředích. Přestože přetrvávají výzvy, probíhající pokroky v hardwaru a softwaru dláždí cestu pro budoucnost, kde se raytracing v reálném čase stane standardní funkcí webové grafiky. Jak technologie dozrává, můžeme očekávat novou vlnu vizuálně ohromujících a interaktivních webových aplikací, které stírají hranice mezi virtuálním a skutečným světem. Od interaktivních konfigurátorů produktů a architektonických vizualizací po pohlcující herní zážitky a aplikace virtuální reality, WebGL raytracing globální osvětlení má potenciál revolucionizovat způsob, jakým interagujeme s 3D obsahem na webu.