Rozšíření WebGL pro Ray Tracing: Uvolnění hardwarově akcelerovaného Ray Tracingu na webu

Po léta byl ray tracing svatým grálem počítačové grafiky, slibující fotorealistické obrazy s přesným osvětlením, odrazy a stíny. Ačkoli byl tradičně vyhrazen pro offline renderování kvůli své výpočetní náročnosti, nedávné pokroky v hardwaru učinily z ray tracingu v reálném čase skutečnost. Nyní, s příchodem rozšíření WebGL pro ray tracing, je tato mocná technologie připravena revolučně změnit webovou grafiku.

Co je to Ray Tracing?

Ray tracing je technika renderování, která simuluje způsob, jakým světlo interaguje s objekty ve scéně. Místo rasterizace polygonů sleduje ray tracing dráhu světelných paprsků od kamery a sleduje je skrze scénu, dokud se neprotnou s objekty. Výpočtem barvy a intenzity každého paprsku produkuje ray tracing obrazy s realistickým osvětlením, odrazy a stíny.

Na rozdíl od rasterizace, která tyto efekty aproximuje, poskytuje ray tracing fyzikálně přesnější reprezentaci transportu světla, což vede k ohromujícím vizuálním výsledkům. Tato přesnost je však vykoupena značnými výpočetními náklady, což činí ray tracing v reálném čase náročným úkolem.

Vzestup hardwarově akcelerovaného Ray Tracingu

Aby výrobci grafických karet překonali výpočetní omezení tradičního ray tracingu, vyvinuli specializovaný hardware pro akceleraci výpočtů ray tracingu. Technologie jako RTX od NVIDIA a řada Radeon RX od AMD zahrnují specializovaná jádra pro ray tracing, která výrazně zvyšují výkon, čímž umožňují ray tracing v reálném čase.

Tyto hardwarové pokroky vydláždily cestu novým technikám renderování, které využívají ray tracing k dosažení bezprecedentní úrovně realismu. Hry, simulace a další aplikace nyní zahrnují ray-traced odrazy, stíny, globální osvětlení a další, čímž vytvářejí pohlcující a vizuálně ohromující zážitky.

Rozšíření WebGL pro Ray Tracing: Přenesení Ray Tracingu na web

WebGL, standardní API pro renderování interaktivní 2D a 3D grafiky ve webových prohlížečích, se tradičně spoléhalo na rasterizaci. S příchodem rozšíření pro ray tracing je však WebGL nyní schopno využít sílu hardwarově akcelerovaného ray tracingu. To otevírá svět možností pro webovou grafiku a umožňuje vývojářům vytvářet realističtější a poutavější zážitky přímo v prohlížeči.

Tato rozšíření poskytují mechanismus pro přístup k podkladovému hardwaru pro ray tracing prostřednictvím JavaScriptu a GLSL (OpenGL Shading Language), stínovacího jazyka používaného WebGL. Využitím těchto rozšíření mohou vývojáři integrovat ray tracing do svých webových aplikací a těžit z výkonnostních výhod specializovaného hardwaru pro ray tracing.

Klíčová rozšíření WebGL pro Ray Tracing:

• GL_EXT_ray_tracing: Toto klíčové rozšíření poskytuje základ pro ray tracing ve WebGL, definuje základní funkce a datové struktury pro ray tracing. Umožňuje vývojářům vytvářet akcelerační struktury, spouštět paprsky a přistupovat k výsledkům ray tracingu.
• GL_EXT_acceleration_structure: Toto rozšíření definuje akcelerační struktury, což jsou hierarchické datové struktury používané k efektivnímu protínání paprsků s geometrií scény. Vytváření a správa akceleračních struktur je klíčovým krokem v ray tracingu, protože významně ovlivňuje výkon.
• GL_EXT_ray_query: Toto rozšíření poskytuje mechanismus pro dotazování na výsledky ray tracingu, jako je vzdálenost zásahu, zasažená geometrie a normála povrchu v bodě průsečíku. Tyto informace jsou nezbytné pro výpočty stínování a osvětlení.

Výhody WebGL Ray Tracingu

Zavedení rozšíření pro ray tracing do WebGL nabízí několik významných výhod:

• Zvýšená vizuální kvalita: Ray tracing umožňuje realističtější renderování odrazů, stínů a globálního osvětlení, což vede k vizuálně ohromujícím a pohlcujícím webovým zážitkům.
• Zlepšený výkon: Hardwarově akcelerovaný ray tracing poskytuje významné zvýšení výkonu ve srovnání s tradičními technikami založenými na rasterizaci, což umožňuje složitější a detailnější scény.
• Nové kreativní možnosti: Ray tracing otevírá nové kreativní možnosti pro webové vývojáře a umožňuje jim vytvářet inovativní a vizuálně působivé aplikace, které byly dříve nemožné.
• Kompatibilita napříč platformami: WebGL je multiplatformní API, což znamená, že aplikace s ray tracingem vyvinuté pomocí WebGL poběží na jakémkoli zařízení s kompatibilním prohlížečem a hardwarem.
• Dostupnost: WebGL poskytuje pohodlnou a dostupnou platformu pro nasazení aplikací s ray tracingem, protože uživatelé k nim mohou jednoduše přistupovat prostřednictvím webového prohlížeče bez nutnosti instalace jakéhokoli dalšího softwaru.

Případy použití WebGL Ray Tracingu

WebGL ray tracing má širokou škálu potenciálních aplikací v různých odvětvích:

• Hry: Ray tracing může zlepšit vizuální věrnost webových her a vytvářet tak pohlcující a realističtější herní zážitky. Představte si hraní střílečky z pohledu první osoby s ray-traced odrazy a stíny nebo prozkoumávání virtuálního světa s realistickým globálním osvětlením.
• Vizualizace produktů: Ray tracing lze použít k vytváření realistických renderů produktů, což zákazníkům umožňuje si je detailně prohlédnout před nákupem. Například prodejce nábytku by mohl použít ray tracing k předvedení textur a osvětlení svých produktů ve virtuálním showroomu.
• Architektonická vizualizace: Architekti mohou pomocí ray tracingu vytvářet realistické vizualizace budov a interiérů, což klientům umožňuje podrobně prozkoumat jejich návrhy. To může klientům pomoci lépe porozumět návrhu a činit informovaná rozhodnutí. Představte si prozkoumávání virtuálního modelu budovy s realistickým osvětlením a odrazy, což vám umožní zažít prostor ještě předtím, než je postaven.
• Virtuální realita (VR) a rozšířená realita (AR): Ray tracing může zvýšit realismus zážitků ve VR a AR a vytvářet tak pohlcující a poutavější prostředí. Například by ray tracing mohl být použit k vytvoření realistických stínů a odrazů ve VR hře nebo k přesnému překrytí virtuálních objektů reálným světem v AR aplikaci.
• Vědecká vizualizace: Ray tracing lze použít k vizualizaci složitých vědeckých dat, jako jsou simulace dynamiky tekutin nebo molekulárních struktur. To může vědcům pomoci lépe porozumět jejich datům a činit nové objevy.
• Vzdělávání: Ray tracing lze použít k vytváření interaktivních vzdělávacích simulací, které studentům umožní prozkoumat složité koncepty vizuálně poutavým způsobem. Například fyzikální simulace by mohla použít ray tracing k přesné simulaci chování světla, což studentům umožní vizualizovat principy optiky.

Technické aspekty

Ačkoli WebGL ray tracing nabízí mnoho výhod, je třeba mít na paměti také několik technických aspektů:

• Hardwarové požadavky: Ray tracing vyžaduje specializovaný hardware, jako jsou grafické karty NVIDIA RTX nebo AMD Radeon RX. Aplikace využívající ray tracing nebudou fungovat, nebo budou fungovat špatně, na systémech bez tohoto hardwaru.
• Optimalizace výkonu: Ray tracing může být výpočetně náročný, proto je důležité optimalizovat scénu a kód pro ray tracing, aby se dosáhlo dobrého výkonu. To může zahrnovat použití technik, jako je úroveň detailů (LOD) a adaptivní vzorkování.
• Správa akceleračních struktur: Vytváření a správa akceleračních struktur je pro výkon ray tracingu klíčová. Vývojáři musí pečlivě zvážit výběr akcelerační struktury a strategii pro její aktualizaci při změnách scény.
• Složitost shaderů: Shadery pro ray tracing mohou být složité a vyžadují dobré znalosti GLSL a algoritmů ray tracingu. Vývojáři se možná budou muset naučit nové techniky pro psaní efektivních a účinných shaderů pro ray tracing.
• Ladění (Debugging): Ladění kódu pro ray tracing může být náročné, protože zahrnuje sledování drah jednotlivých paprsků. Vývojáři možná budou muset používat specializované nástroje pro ladění k identifikaci a opravě chyb.

Příklad: Implementace Ray-Traced odrazů ve WebGL

Podívejme se na zjednodušený příklad, jak implementovat ray-traced odrazy ve WebGL pomocí rozšíření pro ray tracing. Tento příklad předpokládá, že máte nastavenou základní scénu WebGL s kamerou, grafem scény a materiálovým systémem.

1. Vytvoření akcelerační struktury:

   Nejprve musíte vytvořit akcelerační strukturu, která reprezentuje geometrii scény. To lze provést pomocí rozšíření GL_EXT_acceleration_structure. Akcelerační struktura bude použita k efektivnímu protínání paprsků se scénou.

2. Napsání shaderu pro generování paprsků (Ray Generation Shader):

   Dále musíte napsat shader pro generování paprsků, který bude spouštět paprsky z kamery. Tento shader bude iterovat přes pixely na obrazovce a generovat paprsek pro každý pixel.

   Zde je zjednodušený příklad shaderu pro generování paprsků:

               #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. Napsání shaderu pro nejbližší zásah (Closest Hit Shader):

   Musíte také napsat shader pro nejbližší zásah, který se spustí, když paprsek protne objekt. Tento shader vypočítá barvu objektu v bodě průsečíku a vrátí ji jako hodnotu zásahu.

   Zde je zjednodušený příklad shaderu pro nejbližší zásah:

               #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. Spuštění pipeline pro ray tracing:

   Nakonec musíte spustit pipeline pro ray tracing. To zahrnuje navázání akcelerační struktury, shaderu pro generování paprsků a shaderu pro nejbližší zásah a následné spuštění výpočtů ray tracingu.

5. Implementace odrazů:

   V shaderu pro nejbližší zásah, místo pouhého vrácení barvy povrchu, vypočítejte vektor odrazu. Poté spusťte nový paprsek ve směru odrazu, abyste určili barvu odraženého objektu. To vyžaduje rekurzivní volání pipeline pro ray tracing (v rámci limitů, aby se zabránilo nekonečným smyčkám) nebo použití samostatného průchodu pro odrazy. Konečná barva bude kombinací barvy povrchu a odražené barvy.

   Toto je zjednodušený příklad a reálná implementace by zahrnovala složitější výpočty, jako je zpracování vícenásobných odrazů, vzorkování různých světelných zdrojů a aplikace anti-aliasingu. Pamatujte na výkon, protože ray tracing může být výpočetně náročný.

Budoucnost WebGL Ray Tracingu

WebGL ray tracing je stále v rané fázi, ale má potenciál transformovat webovou grafiku. Jak se hardwarově akcelerovaný ray tracing stává stále dostupnějším, můžeme očekávat, že stále více webových aplikací bude tuto technologii začleňovat. To povede k realističtějším a poutavějším webovým zážitkům v široké škále odvětví.

Kromě toho probíhající vývoj a standardizační úsilí v rámci Khronos Group, organizace odpovědné za WebGL, pravděpodobně povedou k dalším vylepšením API a zvýšené adopci ze strany výrobců prohlížečů. To učiní ray tracing dostupnějším pro webové vývojáře a urychlí růst ekosystému WebGL ray tracingu.

Budoucnost WebGL ray tracingu je světlá a v nadcházejících letech můžeme očekávat ještě více vzrušujících novinek. Jak technologie dospívá, odemkne nové možnosti pro webovou grafiku a vytvoří novou generaci pohlcujících a vizuálně ohromujících zážitků.

Globální dopad a dostupnost

Příchod WebGL ray tracingu má potenciál významně ovlivnit globální dostupnost vysoce kvalitní grafiky. Tradiční špičkové grafické aplikace často vyžadují specializovaný hardware a software, což omezuje jejich dostupnost pro jednotlivce a organizace s dostatečnými zdroji.

WebGL, jakožto webová technologie, nabízí demokratičtější přístup. Dokud mají uživatelé přístup ke kompatibilnímu prohlížeči a hardwaru (což je stále běžnější s přijetím integrovaných grafických karet schopných ray tracingu), mohou tyto pokročilé grafické schopnosti zažít. To je zvláště výhodné v regionech s omezeným přístupem k špičkovému hardwaru nebo tam, kde jsou licence na specializovaný software finančně nedostupné.

Navíc multiplatformní povaha WebGL zajišťuje, že aplikace mohou běžet na široké škále zařízení, od stolních počítačů a notebooků po mobilní telefony a tablety. To dále rozšiřuje dosah technologie ray tracingu a činí ji dostupnou širšímu globálnímu publiku.

Je však důležité si uvědomit potenciál pro digitální propast založenou na hardwarových schopnostech. Ačkoli se hardware schopný ray tracingu stává stále rozšířenějším, stále není univerzálně dostupný. Vývojáři by se měli snažit vytvářet aplikace, které jsou škálovatelné a mohou se přizpůsobit různým hardwarovým konfiguracím, aby zajistili, že i uživatelé s méně výkonnými zařízeními budou mít pozitivní zážitek.

Závěr

Rozšíření WebGL pro ray tracing představují významný krok vpřed ve vývoji webové grafiky. Tím, že přinášejí hardwarově akcelerovaný ray tracing do webových prohlížečů, otevírají tato rozšíření svět možností pro vytváření realističtějších, poutavějších a pohlcujících zážitků. Ačkoli je třeba mít na paměti technické aspekty, přínosy WebGL ray tracingu jsou nepopiratelné a můžeme očekávat, že bude hrát stále důležitější roli v budoucnosti webu.

Jak technologie dospívá a stává se stále více přijímanou, umožní webovým vývojářům vytvářet inovativní a vizuálně ohromující aplikace, které byly dříve nepředstavitelné. Budoucnost webové grafiky je světlá a WebGL ray tracing je připraven být klíčovým hnacím motorem této evoluce.