Akcelerační struktura pro Raytracing ve WebGL: Organizace prostorových dat pro globální 3D aplikace

Raytracing je výkonná technika vykreslování, která simuluje chování světla v reálném světě. Vytváří fotorealistické obrázky sledováním dráhy světelných paprsků scénou. Ačkoli raytracing nabízí vynikající vizuální kvalitu, je výpočetně náročný. Pro dosažení reálného času nebo interaktivních snímkových frekvencí, zejména v prohlížečových aplikacích WebGL, jsou nezbytné akcelerační struktury. Tento článek zkoumá základní koncepty akceleračních struktur používaných v raytracingu ve WebGL se zaměřením na organizaci prostorových dat a její dopad na výkon.

Potřeba akceleračních struktur

Bez akceleračních struktur raytracing zahrnuje testování průsečíku každého paprsku s každým objektem ve scéně. Tento přístup hrubou silou má za následek složitost O(n) pro každý paprsek, kde 'n' je počet primitiv (trojúhelníků, koulí atd.) ve scéně. Pro komplexní scény s miliony primitiv se to stává neúnosně nákladným.

Akcelerační struktury tento problém zmírňují organizací geometrie scény tak, aby nám umožnily rychle vyřadit velké části scény, u kterých je nepravděpodobné, že by je daný paprsek protnul. Snižují počet testů průsečíku paprsku s primitivem, čímž drasticky zlepšují výkon vykreslování. Představte si, že hledáte konkrétní knihu v knihovně. Bez rejstříku (akcelerační struktury) byste museli zkontrolovat každou knihu na každé polici. Rejstřík vám umožní rychle najít příslušnou sekci a efektivně knihu najít. Akcelerační struktury plní v raytracingu podobný účel.

Běžné akcelerační struktury

V raytracingu se běžně používá několik typů akceleračních struktur. Nejrozšířenější je Bounding Volume Hierarchy (BVH), ale používají se i jiné, jako jsou k-d stromy a uniformní mřížky. Tento článek se zaměřuje na BVH kvůli jejich flexibilitě a efektivitě při zpracování různorodých scén.

Bounding Volume Hierarchy (BVH)

BVH je stromová datová struktura, kde každý uzel představuje ohraničující objem (bounding volume), který obklopuje sadu primitiv. Kořenový uzel obklopuje celou scénu a každý vnitřní uzel obklopuje podmnožinu geometrie scény. Listové uzly obsahují odkazy na skutečná primitiva (např. trojúhelníky).

Základním principem BVH je testovat paprsek proti ohraničujícímu objemu uzlu. Pokud paprsek ohraničující objem neprotne, nemůže protnout ani žádné z primitiv obsažených v tomto uzlu a můžeme přeskočit procházení podstromu. Pokud paprsek ohraničující objem protne, rekurzivně procházíme podřízené uzly, dokud nedosáhneme listových uzlů, kde provedeme testy průsečíku paprsku s primitivem.

Konstrukce BVH:

Konstrukce BVH je klíčovým krokem, který významně ovlivňuje její výkon. Dobře zkonstruovaná BVH minimalizuje počet testů průsečíku paprsku s ohraničujícím objemem. Existují dva hlavní přístupy ke konstrukci BVH: shora dolů a zdola nahoru.

• Konstrukce shora dolů (Top-Down): Tento přístup začíná u kořenového uzlu a rekurzivně jej rozděluje, dokud nejsou splněna určitá kritéria ukončení. Proces dělení obvykle zahrnuje výběr dělící roviny, která primitiva rozdělí do dvou skupin. Volba dělící roviny je kritická. Běžné strategie zahrnují:
• Dělení podle prostorového mediánu (Spatial Median Split): Dělí primitiva na základě jejich prostorové polohy podél osy (např. X, Y nebo Z). Jedná se o jednoduchou a rychlou metodu, která ale nemusí vždy vést k vyváženým stromům.
• Dělení podle mediánu objektů (Object Median Split): Dělí primitiva na základě mediánu jejich těžišť. Často vytváří lépe vyvážené stromy než dělení podle prostorového mediánu.
• Heuristika povrchové plochy (Surface Area Heuristic - SAH): Toto je sofistikovanější přístup, který odhaduje náklady na procházení stromu na základě povrchové plochy ohraničujících objemů. Cílem SAH je minimalizovat očekávané náklady na procházení výběrem dělící roviny, která má za následek nejnižší celkové náklady. SAH obecně produkuje nejefektivnější BVH, ale její sestavení je také výpočetně nejnáročnější.
• Konstrukce zdola nahoru (Bottom-Up): Tento přístup začíná s jednotlivými primitivy jako listovými uzly a iterativně je slučuje do větších ohraničujících objemů, dokud se nevytvoří jediný kořenový uzel. Pro raytracingové BVH je to méně obvyklé, ale může to být užitečné v dynamických scénách, kde se geometrie často mění.

Kritéria ukončení:

Proces dělení pokračuje, dokud není splněno kritérium ukončení. Běžná kritéria ukončení zahrnují:

• Maximální hloubka stromu: Omezuje hloubku stromu, aby se zabránilo nadměrnému využití paměti nebo režii při procházení.
• Minimální počet primitiv na uzel: Zastaví dělení uzlu, když obsahuje malý počet primitiv. Typická hodnota je 1-4 primitiva.
• Prahová hodnota nákladů: Zastaví dělení uzlu, když odhadované náklady na další dělení přesáhnou určitou prahovou hodnotu.

Procházení BVH:

Algoritmus procházení BVH je rekurzivní proces, který efektivně určuje, která primitiva ve scéně jsou protnuta daným paprskem. Algoritmus začíná u kořenového uzlu a postupuje následovně:

1. Testuje paprsek proti ohraničujícímu objemu aktuálního uzlu.
2. Pokud paprsek neprotne ohraničující objem, procházení pro tento uzel a jeho podstrom se zastaví.
3. Pokud paprsek protne ohraničující objem, algoritmus rekurzivně prochází podřízené uzly.
4. Když je dosaženo listového uzlu, algoritmus provede testy průsečíku paprsku s primitivem pro každé primitivum obsažené v listovém uzlu.

Techniky organizace prostorových dat

Způsob, jakým jsou data organizována v akcelerační struktuře, významně ovlivňuje její výkon. K optimalizaci organizace prostorových dat se používá několik technik:

Těsnost ohraničujícího objemu

Těsnější ohraničující objemy snižují pravděpodobnost falešně pozitivních výsledků během testů průsečíku paprsku s ohraničujícím objemem. Těsný ohraničující objem těsně obepíná uzavřenou geometrii a minimalizuje tak prázdný prostor kolem ní. Běžné typy ohraničujících objemů zahrnují:

• Osově zarovnané ohraničující kvádry (AABB): AABB jsou nejběžnějším typem ohraničujícího objemu díky své jednoduchosti a efektivitě. Jsou definovány svými minimálními a maximálními souřadnicemi podél každé osy. AABB se snadno konstruují a testují na průsečík s paprsky.
• Orientované ohraničující kvádry (OBB): OBB těsněji obepínají objekty než AABB, zejména u objektů, které nejsou zarovnány se souřadnicovými osami. Konstrukce OBB a testování průsečíku s paprsky jsou však nákladnější.
• Koule: Koule se snadno konstruují a testují na průsečík s paprsky, ale nemusí být vhodné pro všechny typy geometrie.

Výběr vhodného typu ohraničujícího objemu závisí na konkrétní aplikaci a kompromisu mezi těsností a výkonem.

Pořadí uzlů a rozložení v paměti

Pořadí, v jakém jsou uzly uloženy v paměti, může významně ovlivnit koherenci mezipaměti a výkon procházení. Ukládání uzlů, ke kterým se pravděpodobně přistupuje společně, do souvislých paměťových míst může zlepšit využití mezipaměti a snížit latenci přístupu do paměti.

Běžné techniky řazení uzlů zahrnují:

• Řazení do hloubky (Depth-First Ordering): Uzly jsou uloženy v pořadí, v jakém jsou navštíveny během procházení stromu do hloubky. Tento přístup může zlepšit koherenci mezipaměti pro paprsky, které procházejí dlouhou cestou stromem.
• Řazení do šířky (Breadth-First Ordering): Uzly jsou uloženy v pořadí, v jakém jsou navštíveny během procházení stromu do šířky. Tento přístup může zlepšit koherenci mezipaměti pro paprsky, které protínají velký počet uzlů na stejné úrovni stromu.
• Linearizace: BVH je linearizována do plochého pole, často pomocí Mortonova kódu nebo podobné prostor vyplňující křivky. To může zlepšit koherenci mezipaměti a umožnit efektivní procházení na GPU.

Optimální technika řazení uzlů závisí na konkrétní hardwarové architektuře a vlastnostech scény.

Pořadí primitiv

Pořadí, v jakém jsou primitiva uložena v listových uzlech, může také ovlivnit výkon. Seskupení primitiv, která jsou prostorově koherentní, může zlepšit koherenci mezipaměti a snížit počet chybějících stránek v mezipaměti (cache misses) během testů průsečíku paprsku s primitivem. K řazení primitiv na základě jejich prostorové polohy lze použít techniky jako prostor vyplňující křivky (např. Mortonovo řazení).

Specifika WebGL

Implementace raytracingu a akceleračních struktur ve WebGL přináší jedinečné výzvy a úvahy:

Přenos dat a správa paměti

Přenos velkého množství dat (např. data vrcholů, uzly BVH) z JavaScriptu na GPU může být úzkým hrdlem. Efektivní techniky přenosu dat jsou klíčové pro dosažení dobrého výkonu. Použití typovaných polí (např. Float32Array, Uint32Array) a minimalizace počtu přenosů dat může pomoci snížit režii.

Správa paměti je také důležitá, zejména u velkých scén. WebGL má omezené paměťové zdroje a je nezbytné efektivně alokovat a uvolňovat paměť, aby se předešlo chybám nedostatku paměti.

Výkon shaderů

Logika raytracingu a procházení BVH je obvykle implementována v shaderech (např. GLSL). Optimalizace kódu shaderu je klíčová pro dosažení dobrého výkonu. To zahrnuje minimalizaci počtu instrukcí, používání efektivních datových typů a vyhýbání se větvení.

Příklad: Místo použití obecného příkazu `if` pro kontrolu průsečíku paprsku s AABB použijte pro lepší výkon optimalizovaný algoritmus průsečíku s deskami (slab intersection). Algoritmus průsečíku s deskami je speciálně navržen pro AABB a lze jej implementovat s menším počtem instrukcí.

Asynchronní operace

Sestavení akcelerační struktury může být časově náročný proces, zejména u velkých scén. Provádění této operace asynchronně (např. pomocí Web Workers) může zabránit tomu, aby prohlížeč přestal reagovat. Hlavní vlákno může pokračovat ve vykreslování scény, zatímco se na pozadí sestavuje akcelerační struktura.

WebGPU

Nástup WebGPU přináší přímější kontrolu nad GPU, což otevírá možnosti pro sofistikovanější implementace raytracingu. S funkcemi jako jsou compute shadery mohou vývojáři efektivněji spravovat paměť a implementovat vlastní akcelerační struktury. To vede ke zlepšení výkonu ve srovnání s tradičním WebGL.

Příklady globálních aplikací

Raytracing ve WebGL, akcelerovaný efektivní organizací prostorových dat, otevírá nové možnosti pro různé globální aplikace:

• Interaktivní konfigurátory produktů: Umožněte zákazníkům z celého světa přizpůsobit si produkty (např. nábytek, auta) v reálném čase s fotorealistickým vykreslením. Představte si evropskou nábytkářskou společnost, která umožňuje uživatelům v Asii vizualizovat, jak bude pohovka vypadat v jejich obývacím pokoji s různými látkami a světelnými podmínkami, a to vše v rámci webového prohlížeče.
• Architektonická vizualizace: Umožněte architektům a designérům po celém světě vytvářet a prozkoumávat realistické vizualizace budov a interiérů v prohlížeči. Designérská firma v Austrálii by mohla spolupracovat s klienty v Severní Americe na projektu budovy a pomocí raytracingu ve WebGL vizualizovat změny návrhu v reálném čase.
• Vědecká vizualizace: Vizualizujte komplexní vědecké datové sady (např. lékařské skeny, klimatické modely) ve 3D s vysokou vizuální věrností. Výzkumníci po celém světě mohou společně analyzovat data prostřednictvím podrobných raytracovaných vizualizací.
• Hry a zábava: Vytvářejte pohlcující herní zážitky s realistickým osvětlením a stíny, dostupné hráčům po celém světě prostřednictvím jejich webových prohlížečů.
• E-commerce: Zlepšete zážitky z online nakupování poskytováním realistických vizualizací produktů. Například prodejce šperků v Hongkongu může předvést brilanci a odlesky svých diamantů pomocí raytracovaného vykreslování, což umožní potenciálním kupcům po celém světě ocenit kvalitu drahokamů.

Praktické rady a osvědčené postupy

• Vyberte správnou akcelerační strukturu: Při výběru akcelerační struktury zvažte charakteristiky vaší scény (např. statická vs. dynamická, počet primitiv). BVH jsou obecně dobrou volbou pro většinu scén, ale jiné struktury jako k-d stromy nebo uniformní mřížky mohou být pro specifické případy použití vhodnější.
• Optimalizujte konstrukci BVH: Použijte SAH pro vysoce kvalitní BVH, ale zvažte jednodušší strategie dělení jako prostorový medián nebo medián objektů pro rychlejší časy sestavení, zejména v dynamických scénách.
• Používejte těsné ohraničující objemy: Vyberte typ ohraničujícího objemu, který těsně obepíná geometrii, abyste snížili počet falešně pozitivních výsledků během testů průsečíku paprsku s ohraničujícím objemem.
• Optimalizujte pořadí uzlů: Experimentujte s různými technikami řazení uzlů (např. do hloubky, do šířky, linearizace) pro zlepšení koherence mezipaměti a výkonu procházení.
• Minimalizujte přenosy dat: Používejte typovaná pole a minimalizujte počet přenosů dat mezi JavaScriptem a GPU.
• Optimalizujte kód shaderů: Minimalizujte počet instrukcí, používejte efektivní datové typy a vyhýbejte se větvení ve svých shaderech.
• Používejte asynchronní operace: Provádějte konstrukci BVH a další časově náročné operace asynchronně, abyste zabránili tomu, aby prohlížeč přestal reagovat.
• Využijte WebGPU: Prozkoumejte možnosti WebGPU pro efektivnější správu paměti a implementace vlastních akceleračních struktur.
• Profilujte a benchmarkujte: Pravidelně profilujte a benchmarkujte svůj kód, abyste identifikovali výkonnostní úzká hrdla a odpovídajícím způsobem optimalizovali. Používejte vývojářské nástroje prohlížeče k analýze snímkových frekvencí, využití paměti a výkonu shaderů.

Závěr

Akcelerační struktury jsou nezbytné pro dosažení výkonu raytracingu v reálném čase ve WebGL. Efektivní organizací prostorových dat tyto struktury snižují počet testů průsečíku paprsku s primitivem a umožňují vykreslování komplexních 3D scén. Pochopení různých typů akceleračních struktur, technik organizace prostorových dat a specifik WebGL je klíčové pro vývoj vysoce výkonných, globálně dostupných raytracingových aplikací. S dalším vývojem WebGPU se možnosti raytracingu v prohlížeči budou dále rozšiřovat a umožní vznik nových a vzrušujících aplikací v různých odvětvích.