WebGL Raytracing: Ray Tracing v reálném čase s WebGL Compute Shadery

Ray tracing, technika renderování proslulá svými fotorealistickými obrazy, byl tradičně výpočetně náročný a vyhrazený pro offline renderovací procesy. Pokroky v technologii GPU a zavedení compute shaderů však otevřely dveře ray tracingu v reálném čase v rámci WebGL, což přináší vysoce věrnou grafiku do webových aplikací. Tento článek poskytuje komplexního průvodce implementací ray tracingu v reálném čase pomocí compute shaderů ve WebGL, zaměřený na globální publikum vývojářů, kteří mají zájem posouvat hranice webové grafiky.

Co je to Ray Tracing?

Ray tracing simuluje způsob, jakým se světlo šíří v reálném světě. Namísto rasterizace polygonů ray tracing vysílá paprsky z kamery (nebo oka) skrz každý pixel na obrazovce do scény. Tyto paprsky se protínají s objekty a na základě materiálových vlastností těchto objektů je barva pixelu určena výpočtem, jak se světlo odráží a interaguje s povrchem. Tento proces může zahrnovat odrazy, lomy a stíny, což vede k vysoce realistickým obrazům.

Klíčové koncepty v Ray Tracingu:

• Vysílání paprsků (Ray Casting): Proces vysílání paprsků z kamery do scény.
• Testy průsečíků: Určení, kde se paprsek protíná s objekty ve scéně.
• Normály povrchu: Vektory kolmé k povrchu v bodě průsečíku, používané k výpočtu odrazu a lomu.
• Vlastnosti materiálu: Definují, jak povrch interaguje se světlem (např. barva, odrazivost, drsnost).
• Stínové paprsky: Paprsky vysílané z bodu průsečíku ke zdrojům světla k určení, zda je bod ve stínu.
• Paprsky odrazu a lomu: Paprsky vysílané z bodu průsečíku k simulaci odrazů a lomů.

Proč WebGL a Compute Shadery?

WebGL poskytuje multiplatformní API pro renderování 2D a 3D grafiky ve webovém prohlížeči bez nutnosti použití zásuvných modulů. Compute shadery, představené s WebGL 2.0, umožňují výpočty pro všeobecné účely na GPU. To nám umožňuje využít paralelní výpočetní výkon GPU k efektivnímu provádění výpočtů pro ray tracing.

Výhody použití WebGL pro Ray Tracing:

• Multiplatformní kompatibilita: WebGL funguje v jakémkoli moderním webovém prohlížeči, bez ohledu na operační systém.
• Hardwarová akcelerace: Využívá GPU pro rychlé renderování.
• Nevyžaduje zásuvné moduly: Odstraňuje potřebu instalace dalšího softwaru ze strany uživatelů.
• Dostupnost: Zpřístupňuje ray tracing širšímu publiku prostřednictvím webu.

Výhody použití Compute Shaderů:

• Paralelní zpracování: Využívá masivně paralelní architekturu GPU pro efektivní výpočty ray tracingu.
• Flexibilita: Umožňuje vlastní algoritmy a optimalizace přizpůsobené ray tracingu.
• Přímý přístup k GPU: Obchází tradiční renderovací pipeline pro větší kontrolu.

Přehled implementace

Implementace ray tracingu ve WebGL pomocí compute shaderů zahrnuje několik klíčových kroků:

1. Nastavení WebGL kontextu: Vytvoření WebGL kontextu a povolení nezbytných rozšíření (je vyžadováno WebGL 2.0).
2. Vytvoření Compute Shaderů: Napsání GLSL kódu pro compute shader, který provádí výpočty ray tracingu.
3. Vytvoření Shader Storage Buffer Objects (SSBOs): Alokace paměti na GPU pro uložení dat scény, dat paprsků a výsledného obrazu.
4. Spuštění Compute Shaderu: Spuštění compute shaderu ke zpracování dat.
5. Zpětné čtení výsledků: Získání vyrenderovaného obrazu z SSBO a jeho zobrazení na obrazovce.

Podrobné kroky implementace

1. Nastavení WebGL kontextu

Prvním krokem je vytvoření kontextu WebGL 2.0. To zahrnuje získání elementu canvas z HTML a následné vyžádání WebGL2RenderingContext. Zpracování chyb je klíčové pro zajištění úspěšného vytvoření kontextu.

            const canvas = document.getElementById('myCanvas');
const gl = canvas.getContext('webgl2');

if (!gl) {
  console.error('WebGL 2.0 is not supported.');
}
            

              
                Copy
              
            
          

2. Vytvoření Compute Shaderů

Jádrem ray traceru je compute shader napsaný v GLSL. Tento shader bude zodpovědný za vysílání paprsků, provádění testů průsečíků a výpočet barvy každého pixelu. Compute shader bude pracovat na mřížce pracovních skupin (workgroups), z nichž každá zpracovává malou oblast obrazu.

Zde je zjednodušený příklad compute shaderu, který vypočítá základní barvu na základě souřadnic pixelu:

            #version 310 es

layout (local_size_x = 8, local_size_y = 8) in;

layout (std430, binding = 0) buffer OutputBuffer {
  vec4 pixels[];
};

uniform ivec2 resolution;

void main() {
  ivec2 pixelCoord = ivec2(gl_GlobalInvocationID.xy);

  if (pixelCoord.x >= resolution.x || pixelCoord.y >= resolution.y) {
    return;
  }

  float red = float(pixelCoord.x) / float(resolution.x);
  float green = float(pixelCoord.y) / float(resolution.y);
  float blue = 0.5;

  pixels[pixelCoord.y * resolution.x + pixelCoord.x] = vec4(red, green, blue, 1.0);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Tento shader definuje velikost pracovní skupiny 8x8, výstupní buffer nazvaný `pixels` a uniformní proměnnou pro rozlišení obrazovky. Každá pracovní položka (pixel) vypočítá svou barvu na základě své pozice a zapíše ji do výstupního bufferu.

3. Vytvoření Shader Storage Buffer Objects (SSBOs)

SSBO se používají k ukládání dat, která jsou sdílena mezi CPU a GPU. V tomto případě použijeme SSBO k uložení dat scény (např. vrcholy trojúhelníků, vlastnosti materiálů), dat paprsků a výsledného vyrenderovaného obrazu. Vytvořte SSBO, navažte ho na vazební bod (binding point) a naplňte ho počátečními daty.

            // Create the SSBO
const outputBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, outputBuffer);
gl.bufferData(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, imageWidth * imageHeight * 4 * 4, gl.DYNAMIC_COPY);

// Bind the SSBO to binding point 0
gl.bindBufferBase(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, 0, outputBuffer);

            

              
                Copy
              
            
          

4. Spuštění Compute Shaderu

Pro spuštění compute shaderu ho musíme "odeslat" (dispatch). To zahrnuje specifikaci počtu pracovních skupin, které se mají spustit v každé dimenzi. Počet pracovních skupin je určen vydělením celkového počtu pixelů velikostí pracovní skupiny definovanou v shaderu.

            const workGroupSizeX = 8;
const workGroupSizeY = 8;
const numWorkGroupsX = Math.ceil(imageWidth / workGroupSizeX);
const numWorkGroupsY = Math.ceil(imageHeight / workGroupSizeY);

gl.dispatchCompute(numWorkGroupsX, numWorkGroupsY, 1);
gl.memoryBarrier(gl.SHADER_STORAGE_BARRIER_BIT);

            

              
                Copy
              
            
          

`gl.dispatchCompute` spouští compute shader. `gl.memoryBarrier` zajišťuje, že GPU dokončilo zápis do SSBO předtím, než se z něj CPU pokusí číst.

5. Zpětné čtení výsledků

Poté, co compute shader dokončí své provádění, musíme přečíst vyrenderovaný obraz z SSBO zpět do CPU. To zahrnuje vytvoření bufferu na CPU a následné použití `gl.getBufferSubData` ke zkopírování dat z SSBO do bufferu CPU. Nakonec z dat vytvořte obrazový prvek.

            // Create a buffer on the CPU to hold the image data
const imageData = new Float32Array(imageWidth * imageHeight * 4);

// Bind the SSBO for reading
gl.bindBuffer(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, outputBuffer);
gl.getBufferSubData(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, 0, imageData);

// Create an image element from the data (example using a library like 'OffscreenCanvas')
// Display the image on the screen

            

              
                Copy
              
            
          

Reprezentace scény a akcelerační struktury

Klíčovým aspektem ray tracingu je efektivní nalezení průsečíků mezi paprsky a objekty ve scéně. Testy průsečíků hrubou silou, kdy je každý paprsek testován proti každému objektu, jsou výpočetně náročné. Pro zlepšení výkonu se používají akcelerační struktury, které organizují data scény a rychle odfiltrují objekty, u kterých je nepravděpodobné, že by se s daným paprskem protnuly.

Běžné akcelerační struktury:

• Bounding Volume Hierarchy (BVH): Hierarchická stromová struktura, kde každý uzel představuje ohraničující objem (bounding volume), který obklopuje sadu objektů. To umožňuje rychlé zamítnutí velkých částí scény.
• Kd-strom (Kd-Tree): Datová struktura pro dělení prostoru, která rekurzivně dělí scénu na menší oblasti.
• Prostorové hashování (Spatial Hashing): Rozděluje scénu na mřížku buněk a ukládá objekty do buněk, se kterými se protínají.

Pro ray tracing ve WebGL jsou BVH často preferovanou volbou díky jejich relativně snadné implementaci a dobrému výkonu. Implementace BVH zahrnuje následující kroky:

1. Výpočet ohraničujícího kvádru (Bounding Box): Vypočítejte ohraničující kvádr pro každý objekt ve scéně (např. trojúhelníky).
2. Konstrukce stromu: Rekurzivně dělte scénu na menší ohraničující kvádry, dokud každý listový uzel neobsahuje malý počet objektů. Běžná kritéria pro dělení zahrnují střed nejdelší osy nebo heuristiku povrchové plochy (SAH).
3. Průchod stromem: Během ray tracingu procházejte BVH, začínaje od kořenového uzlu. Pokud paprsek protne ohraničující kvádr uzlu, rekurzivně projděte jeho potomky. Pokud paprsek protne listový uzel, proveďte testy průsečíků s objekty obsaženými v tomto uzlu.

Příklad struktury BVH v GLSL (zjednodušeno):

            struct BVHNode {
  vec3 min;
  vec3 max;
  int leftChild;
  int rightChild;
  int triangleOffset; // Index of the first triangle in this node
  int triangleCount;  // Number of triangles in this node
};

            

              
                Copy
              
            
          

Průsečík paprsku a trojúhelníku

Nejzákladnějším testem průsečíku v ray tracingu je průsečík paprsku a trojúhelníku. Existuje mnoho algoritmů pro provedení tohoto testu, včetně algoritmu Möller–Trumbore, který je široce používán pro svou efektivitu a jednoduchost.

Algoritmus Möller–Trumbore:

Algoritmus Möller–Trumbore vypočítává bod průsečíku paprsku s trojúhelníkem řešením soustavy lineárních rovnic. Zahrnuje výpočet barycentrických souřadnic, které určují polohu bodu průsečíku uvnitř trojúhelníku. Pokud jsou barycentrické souřadnice v rozsahu [0, 1] a jejich součet je menší nebo roven 1, paprsek se s trojúhelníkem protíná.

Příklad GLSL kódu:

            bool rayTriangleIntersect(Ray ray, vec3 v0, vec3 v1, vec3 v2, out float t) {
  vec3 edge1 = v1 - v0;
  vec3 edge2 = v2 - v0;
  vec3 h = cross(ray.direction, edge2);
  float a = dot(edge1, h);

  if (a > -0.0001 && a < 0.0001)
    return false;    // Ray is parallel to triangle

  float f = 1.0 / a;
  vec3 s = ray.origin - v0;
  float u = f * dot(s, h);

  if (u < 0.0 || u > 1.0)
    return false;

  vec3 q = cross(s, edge1);
  float v = f * dot(ray.direction, q);

  if (v < 0.0 || u + v > 1.0)
    return false;

  // At this stage we can compute t to find out where the intersection point is on the line.
  t = f * dot(edge2, q);

  if (t > 0.0001) // ray intersection
  {
    return true;
  }
  else // This means that there is a line intersection but not a ray intersection.
    return false;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Stínování a osvětlení

Jakmile je nalezen bod průsečíku, dalším krokem je výpočet barvy pixelu. To zahrnuje určení, jak světlo interaguje s povrchem v bodě průsečíku. Běžné modely stínování zahrnují:

• Phongovo stínování: Jednoduchý model stínování, který počítá difuzní a zrcadlovou složku světla.
• Blinn-Phongovo stínování: Vylepšení Phongova stínování, které používá poloviční vektor (halfway vector) k výpočtu zrcadlové složky.
• Fyzikálně založené renderování (PBR): Realističtější model stínování, který zohledňuje fyzikální vlastnosti materiálů.

Ray tracing umožňuje pokročilejší světelné efekty než rasterizace, jako je globální osvětlení, odrazy a lomy. Tyto efekty lze implementovat vysíláním dalších paprsků z bodu průsečíku.

Příklad: Výpočet difuzního osvětlení

            vec3 calculateDiffuse(vec3 normal, vec3 lightDirection, vec3 objectColor) {
  float diffuseIntensity = max(dot(normal, lightDirection), 0.0);
  return diffuseIntensity * objectColor;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Úvahy o výkonu a optimalizace

Ray tracing je výpočetně náročný a dosažení výkonu v reálném čase ve WebGL vyžaduje pečlivou optimalizaci. Zde jsou některé klíčové techniky:

• Akcelerační struktury: Jak již bylo zmíněno, použití akceleračních struktur jako BVH je klíčové pro snížení počtu testů průsečíků.
• Předčasné ukončení paprsku: Ukončete paprsky dříve, pokud významně nepřispívají k výslednému obrazu. Například stínové paprsky mohou být ukončeny, jakmile narazí na objekt.
• Adaptivní vzorkování: Použijte proměnný počet vzorků na pixel v závislosti na složitosti scény. Oblasti s vysokými detaily nebo složitým osvětlením mohou být renderovány s více vzorky.
• Odšumování (Denoising): Použijte algoritmy pro odšumování k redukci šumu ve vyrenderovaném obraze, což umožňuje použití méně vzorků na pixel.
• Optimalizace Compute Shaderu: Optimalizujte kód compute shaderu minimalizací přístupů do paměti, používáním vektorových operací a vyhýbáním se větvení.
• Ladění velikosti pracovní skupiny: Experimentujte s různými velikostmi pracovních skupin, abyste našli optimální konfiguraci pro cílové GPU.
• Použití hardwarového ray tracingu (pokud je k dispozici): Některé GPU nyní nabízejí dedikovaný hardware pro ray tracing. Zkontrolujte a využijte rozšíření, která tuto funkcionalitu zpřístupňují ve WebGL.

Globální příklady a aplikace

Ray tracing ve WebGL má četné potenciální aplikace napříč různými průmyslovými odvětvími po celém světě:

• Hry: Zvyšte vizuální věrnost webových her s realistickým osvětlením, odrazy a stíny.
• Vizualizace produktů: Vytvářejte interaktivní 3D modely produktů s fotorealistickým renderováním pro e-commerce a marketing. Například nábytkářská společnost ve Švédsku by mohla zákazníkům umožnit vizualizaci nábytku v jejich domovech s přesným osvětlením a odrazy.
• Architektonická vizualizace: Vizualizujte architektonické návrhy s realistickým osvětlením a materiály. Architektonická firma v Dubaji by mohla použít ray tracing k prezentaci návrhů budov s přesnými simulacemi slunečního světla a stínů.
• Virtuální realita (VR) a rozšířená realita (AR): Zlepšete realismus zážitků ve VR a AR začleněním ray-traced efektů. Například muzeum v Londýně by mohlo nabídnout VR prohlídku s vylepšenými vizuálními detaily díky ray tracingu.
• Vědecká vizualizace: Vizualizujte komplexní vědecká data pomocí realistických renderovacích technik. Výzkumná laboratoř v Japonsku by mohla použít ray tracing k vizualizaci molekulárních struktur s přesným osvětlením a stíny.
• Vzdělávání: Vyvíjejte interaktivní vzdělávací nástroje, které demonstrují principy optiky a šíření světla.

Výzvy a budoucí směřování

Ačkoli se ray tracing v reálném čase ve WebGL stává stále více proveditelným, několik výzev přetrvává:

• Výkon: Dosažení vysokých snímkových frekvencí u složitých scén je stále výzvou.
• Složitost: Implementace plnohodnotného ray traceru vyžaduje značné programátorské úsilí.
• Hardwarová podpora: Ne všechny GPU podporují nezbytná rozšíření pro compute shadery nebo hardwarový ray tracing.

Budoucí směřování pro WebGL ray tracing zahrnuje:

• Zlepšená hardwarová podpora: Jak bude více GPU obsahovat dedikovaný hardware pro ray tracing, výkon se výrazně zlepší.
• Standardizovaná API: Vývoj standardizovaných API pro hardwarový ray tracing ve WebGL zjednoduší proces implementace.
• Pokročilé techniky odšumování: Sofistikovanější algoritmy pro odšumování umožní kvalitnější obrazy s menším počtem vzorků.
• Integrace s WebAssembly (Wasm): Použití WebAssembly k implementaci výpočetně náročných částí ray traceru by mohlo zlepšit výkon.

Závěr

Ray tracing v reálném čase ve WebGL pomocí compute shaderů je rychle se rozvíjející oblast s potenciálem revolucionalizovat webovou grafiku. Pochopením základů ray tracingu, využitím síly compute shaderů a použitím optimalizačních technik mohou vývojáři vytvářet ohromující vizuální zážitky, které byly kdysi v webovém prohlížeči považovány za nemožné. Jak se hardware a software neustále zlepšují, můžeme v nadcházejících letech očekávat ještě působivější aplikace ray tracingu na webu, dostupné globálnímu publiku z jakéhokoli zařízení s moderním prohlížečem.

Tento průvodce poskytl komplexní přehled konceptů a technik spojených s implementací ray tracingu v reálném čase ve WebGL. Vyzýváme vývojáře po celém světě, aby s těmito technikami experimentovali a přispěli k pokroku webové grafiky.