WebGL Raytracing Global Illumination: Opnå Fysisk Præcis Belysning i Webapplikationer

Stræben efter realisme i 3D-grafik har drevet kontinuerlig innovation inden for renderingsteknikker. Raytracing, der engang var begrænset til offline rendering på grund af dens beregningsmæssige krav, bliver nu i stigende grad tilgængelig i realtid, takket være fremskridt inden for hardware og API'er som WebGL. Denne artikel dykker ned i den fascinerende verden af WebGL raytracing global illumination og udforsker, hvordan man opnår fysisk præcis belysning inden for webapplikationer.

Forståelse af Global Illumination

Global illumination (GI) refererer til et sæt renderingsteknikker, der simulerer den måde, lyset hopper rundt i en scene på, hvilket skaber en mere realistisk og fordybende visuel oplevelse. I modsætning til direkte belysning, som kun tager højde for lyskilder, der direkte belyser overflader, tager GI højde for indirekte belysning – lys, der reflekteres, brydes eller spredes fra andre overflader i miljøet. Dette omfatter effekter som:

• Diffuse Interreflection: Lys, der hopper mellem diffuse overflader, hvilket resulterer i farveblødning og subtil omgivende belysning. Forestil dig en rød væg, der kaster et svagt rødt skær på et nærliggende hvidt gulv.
• Specular Reflection: Nøjagtige refleksioner af lyskilder og det omgivende miljø på skinnende overflader. Tænk på refleksionen af et vindue i en poleret metalkugle.
• Refraction: Lys, der bøjes, når det passerer gennem gennemsigtige materialer, hvilket skaber realistiske forvrængninger og kaustikker. Overvej den måde, et glas vand bøjer lys på, hvilket skaber mønstre på overfladen nedenunder.
• Subsurface Scattering (SSS): Lys, der trænger ind i gennemsigtige materialer og spredes internt, før det forlader, hvilket resulterer i et blødt, oplyst udseende. Eksempler omfatter hud, marmor og mælk.

Opnåelse af realistisk global illumination forbedrer den visuelle kvalitet af 3D-scener betydeligt, hvilket gør dem mere troværdige og engagerende. Simulering af disse effekter nøjagtigt er dog beregningsmæssigt intensivt.

Raytracing: En Vej til Realistisk Belysning

Raytracing er en renderingsteknik, der simulerer lysets opførsel ved at spore stråler fra kameraet (eller øjet) gennem hver pixel i billedet og ind i scenen. Når en stråle skærer en overflade, bestemmer raytraceren farven og lysstyrken af det punkt ved at overveje lyseffekterne på det pågældende sted. Denne proces kan gentages rekursivt for at simulere refleksioner, refraktioner og andre komplekse lysinteraktioner.

Traditionel rasteriseringsbaseret rendering, den dominerende metode i realtidsgrafik i mange år, tilnærmer global illumination gennem teknikker som ambient occlusion, screen-space refleksioner og lyssonder. Selvom disse metoder kan producere visuelt tiltalende resultater, mangler de ofte nøjagtigheden og den fysiske korrekthed af raytracing.

Raytracing, på den anden side, håndterer naturligt globale illuminationseffekter ved at følge lysstrålernes stier, når de interagerer med scenen. Dette giver mulighed for nøjagtig simulering af refleksioner, refraktioner og andre komplekse lys transport fænomener.

WebGL og Raytracing: Et Voksende Landskab

WebGL (Web Graphics Library) er en JavaScript API til rendering af interaktiv 2D- og 3D-grafik i enhver kompatibel webbrowser uden brug af plug-ins. Det udnytter den underliggende grafikprocessor (GPU) til at accelerere renderingsydelsen. Traditionelt er WebGL blevet forbundet med rasteriseringsbaseret rendering.

Nyere fremskridt inden for WebGL, især med introduktionen af WebGL 2 og udvidelser som GL_EXT_ray_tracing og WEBGL_gpu_acceleration, åbner dog op for muligheder for at inkorporere raytracing-teknikker i webapplikationer. Disse udvidelser giver adgang til GPU-accelereret raytracing-funktionalitet, hvilket gør det muligt for udviklere at skabe mere realistiske og visuelt imponerende webbaserede oplevelser.

Der findes flere tilgange til implementering af raytracing i WebGL:

• Compute Shaders: Compute shaders giver mulighed for generelle beregninger på GPU'en. Raytracing-algoritmer kan implementeres ved hjælp af compute shaders, der udfører ray-scene krydsningstests og beregner lyseffekter. Denne tilgang kræver mere manuel implementering, men giver fleksibilitet og kontrol.
• Hardware-Accelerated Raytracing Extensions: Udvidelser som GL_EXT_ray_tracing giver direkte adgang til hardware raytracing-funktioner, hvis de er tilgængelige på brugerens enhed. Denne tilgang kan forbedre ydeevnen betydeligt sammenlignet med compute shader-baserede implementeringer. Det er dog afhængigt af tilgængeligheden af specifik hardware og driver support.
• WebGPU: WebGPU er en efterfølger til WebGL, designet til at give en mere moderne og effektiv API til at få adgang til GPU-funktioner. WebGPU har indbygget support til raytracing, hvilket gør det til en lovende platform for fremtidige webbaserede raytracing-applikationer.

Implementering af WebGL Raytracing Global Illumination

Implementering af WebGL raytracing global illumination er en kompleks opgave, der kræver en solid forståelse af computergrafik principper, raytracing-algoritmer og WebGL-programmering.

Her er en forenklet oversigt over de typiske trin, der er involveret:

1. Scenerepræsentation: Repræsenter 3D-scenen ved hjælp af datastrukturer, der er effektive til ray-scene krydsningstests. Almindelige datastrukturer inkluderer bounding volume hierarchies (BVH'er) og k-d træer. Disse strukturer hjælper med at accelerere raytracing-processen ved hurtigt at kassere store dele af scenen, der sandsynligvis ikke vil blive krydset af en given stråle.
2. Ray Generation: Generer stråler fra kameraet gennem hver pixel i billedet. Retningen af hver stråle bestemmes af kameraets position, orientering og synsfelt.
3. Ray-Scene Intersection: For hver stråle skal du udføre krydsningstests mod alle objekter i scenen. Dette involverer at bestemme, om strålen skærer hvert objekt, og i så fald beregne krydsningspunktet.
4. Shading: På krydsningspunktet skal du beregne farven og lysstyrken af overfladen baseret på belysningsmodellen. Dette involverer at overveje direkte belysning fra lyskilder samt indirekte belysning fra globale illuminationseffekter.
5. Global Illumination Sampling: For global illumination skal du kaste yderligere stråler fra krydsningspunktet for at sample det omgivende miljø. Disse stråler bruges til at estimere mængden af lys, der ankommer til punktet fra andre overflader i scenen. Teknikker som path tracing, Monte Carlo integration og importance sampling bruges ofte til effektivt at sample lys transporten.
6. Recursive Raytracing: Gentag rekursivt trin 3-5 for refleksions- og refraktionsstråler, og spor lysets stier, når det hopper rundt i scenen. Rekursionsdybden er typisk begrænset for at undgå overdreven beregning.
7. Output: Output den endelige farve for hver pixel til WebGL-lærredet.

Path Tracing: En Kraftfuld GI-Teknik

Path tracing er en Monte Carlo raytracing-algoritme, der simulerer global illumination ved at spore tilfældige lysveje gennem scenen. Det er en konceptuelt enkel, men kraftfuld teknik, der kan producere meget realistiske resultater.

I path tracing, i stedet for bare at spore stråler fra kameraet, spores stråler også fra lyskilderne. Disse stråler hopper rundt i scenen og interagerer med overflader, indtil de til sidst når kameraet. Farven på hver pixel bestemmes derefter ved at gennemsnitte bidragene fra alle de lysveje, der når kameraet gennem den pågældende pixel.

Path tracing er i sagens natur en Monte Carlo-metode, hvilket betyder, at den er afhængig af tilfældig sampling for at estimere lys transporten. Dette kan resultere i støjende billeder, især med et lille antal samples. Støjen kan dog reduceres ved at øge antallet af samples pr. pixel. Progressive renderingsteknikker, hvor billedet gradvist forfines over tid, efterhånden som der akkumuleres flere samples, bruges ofte til at forbedre brugeroplevelsen.

Eksempel: Implementering af Diffus Global Illumination med Path Tracing

Lad os overveje et forenklet eksempel på implementering af diffus global illumination ved hjælp af path tracing i WebGL. Dette eksempel fokuserer på kernekonceptet om at spore stråler for at indsamle indirekte belysningsoplysninger.

Fragment Shader (Forenklet):

            #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
              
            
          

Forklaring:

• Verdensposition og Normal: Disse er interpolerede vertexattributter, der er sendt fra vertex shaderen.
• Lysposition og Kameraposition: Uniforme variabler, der repræsenterer positionerne for lyskilden og kameraet.
• Tilfældig Talgenerator: En simpel lineær kongruent generator (LCG) bruges til at generere pseudo-tilfældige tal til retnings sampling. En bedre RNG bør bruges i produktionen.
• Tilfældig Retning: Genererer en tilfældig retning på halvkuglen omkring normalvektoren. Dette bruges til at sample det indkommende lys fra forskellige retninger.
• Direkte Belysning: Beregner den diffuse komponent af direkte belysning ved hjælp af prikproduktet af normalen og lysretningen.
• Indirekte Belysning (Path Tracing):
  • En løkke itererer et specificeret antal gange (numSamples).
  • I hver iteration genereres en tilfældig retning ved hjælp af funktionen randomDirection.
  • Forenklet Scene Sampling: I dette forenklede eksempel antager vi en konstant farve for den indirekte belysning. I en reel implementering vil du spore en stråle i randomDir retningen og sample farven på det objekt, som strålen skærer. Dette involverer rekursiv raytracing, som ikke vises i dette forenklede eksempel.
  • Det indirekte belysningsbidrag akkumuleres og divideres derefter med antallet af samples for at opnå et gennemsnit.
• Endelig Farve: Den endelige farve beregnes ved at tilføje de direkte og indirekte belysningskomponenter.

Vigtige Bemærkninger:

• Dette er et meget forenklet eksempel. En komplet path tracer kræver mere sofistikerede teknikker til ray-scene krydsning, materialeevaluering og variansreduktion.
• Scene Data: Dette eksempel antager, at scenegeometrien og materialeegenskaberne allerede er indlæst og tilgængelige i shaderen.
• Raytracing Implementering: Raytracing delen (sporing af stråler og finde kryds) vises ikke eksplicit i dette eksempel. Det antages at blive håndteret af en anden del af koden, f.eks. ved hjælp af compute shaders eller hardware raytracing udvidelser. Eksemplet fokuserer på skygge aspektet, efter at en stråle har krydset en overflade.
• Støj: Path tracing producerer ofte støjende billeder, især med et lille antal samples. Variansreduktionsteknikker, såsom importance sampling og stratified sampling, kan bruges til at reducere støjen.

Fysisk Baseret Rendering (PBR)

Fysisk Baseret Rendering (PBR) er en renderingstilgang, der har til formål at simulere interaktionen mellem lys og materialer på en fysisk nøjagtig måde. PBR-materialer defineres af parametre, der svarer til virkelige fysiske egenskaber, såsom:

• Basisfarve (Albedo): Materialets iboende farve.
• Metallisk: Angiver, om materialet er metallisk eller ikke-metallisk.
• Ruhed: Beskriver overfladeruheden, som påvirker mængden af spekulær refleksion. En ru overflade vil sprede lys mere diffust, mens en glat overflade vil producere skarpere refleksioner.
• Spekulær: Styrer intensiteten af den spekulære refleksion.
• Normal Map: En tekstur, der gemmer normalvektorer, hvilket giver mulighed for simulering af detaljeret overfladegeometri uden faktisk at øge antallet af polygoner.

Ved at bruge PBR-materialer kan du skabe mere realistiske og konsistente lyseffekter på tværs af forskellige miljøer. Når det kombineres med globale illuminationsteknikker, kan PBR producere usædvanligt realistiske resultater.

Integration af PBR med WebGL Raytracing GI

For at integrere PBR med WebGL raytracing global illumination skal du bruge PBR-materialeegenskaber i skygge beregningerne inden for raytracing-algoritmen.

Dette involverer:

• Evaluering af BRDF: Den Bidirektionelle Reflektansdistributionsfunktion (BRDF) beskriver, hvordan lys reflekteres fra en overflade på et givet punkt. PBR-materialer bruger specifikke BRDF'er, der er baseret på fysiske principper, såsom Cook-Torrance BRDF.
• Sampling af Miljøet: Når du beregner global illumination, skal du sample det omgivende miljø for at estimere mængden af lys, der ankommer til overfladen. Dette kan gøres ved hjælp af miljøkort eller ved at spore stråler for at sample scenen direkte.
• Anvendelse af Energibesparelse: PBR-materialer er energibesparende, hvilket betyder, at den samlede mængde lys, der reflekteres fra en overflade, ikke kan overstige mængden af lys, der falder på den. Denne begrænsning hjælper med at sikre, at belysningen ser realistisk ud.

Cook-Torrance BRDF er et populært valg til PBR-rendering, fordi det er relativt simpelt at implementere og producerer realistiske resultater. Det består af tre hovedkomponenter:

• Diffus Term: Repræsenterer det lys, der spredes diffust fra overfladen. Dette beregnes typisk ved hjælp af Lamberts cosinuslov.
• Spekulær Term: Repræsenterer det lys, der reflekteres spekulært fra overfladen. Denne komponent beregnes ved hjælp af en mikrofacetmodel, som antager, at overfladen består af små, perfekt reflekterende mikrofacetter.
• Geometrifunktion: Tager højde for maskering og skygger af mikrofacetter.
• Fresnel Term: Beskriver mængden af lys, der reflekteres fra overfladen i forskellige vinkler.
• Distributionsfunktion: Beskriver fordelingen af mikrofacetnormaler.

Ydelsesovervejelser

Raytracing, især med global illumination, er beregningsmæssigt krævende. Opnåelse af realtidsydelse i WebGL kræver omhyggelig optimering og overvejelse af hardwarekapacitet.

Her er nogle vigtige teknikker til optimering af ydeevnen:

• Bounding Volume Hierarchies (BVH'er): Brug BVH'er eller andre rumlige accelerationsstrukturer til at reducere antallet af ray-scene krydsningstests.
• Ray Batching: Behandl stråler i batches for at forbedre GPU-udnyttelsen.
• Adaptive Sampling: Brug adaptive samplingsteknikker til at fokusere beregningsressourcer på områder af billedet, der kræver flere samples.
• Denoising: Anvend denoising-algoritmer til at reducere støj i de gengivne billeder, hvilket giver mulighed for færre samples pr. pixel. Temporal akkumulering kan også hjælpe med at fjerne støj fra det endelige billede.
• Hardware Acceleration: Udnyt hardware raytracing-udvidelser, når de er tilgængelige.
• Lavere Opløsning: Render ved en lavere opløsning og opskaler billedet for at forbedre ydeevnen.
• Progressive Rendering: Brug progressiv rendering til hurtigt at vise et indledende billede af lav kvalitet og derefter gradvist forfine det over tid.
• Optimer Shaders: Optimer shaderkode omhyggeligt for at reducere beregningsomkostningerne ved skygge beregninger.

Udfordringer og Fremtidige Retninger

Mens WebGL raytracing global illumination rummer et enormt potentiale, er der flere udfordringer tilbage:

• Hardwarekrav: Raytracing-ydeevnen afhænger i høj grad af den underliggende hardware. Ikke alle enheder understøtter hardware raytracing, og ydeevnen kan variere betydeligt på tværs af forskellige GPU'er.
• Kompleksitet: Implementering af raytracing-algoritmer og integration af dem med eksisterende WebGL-applikationer kan være kompleks og tidskrævende.
• Ydelsesoptimering: Opnåelse af realtidsydelse kræver en betydelig indsats i optimering og omhyggelig overvejelse af hardwarebegrænsninger.
• Browser Support: Konsistent browser support til raytracing-udvidelser er afgørende for bred adoption.

På trods af disse udfordringer ser fremtiden for WebGL raytracing lovende ud. Efterhånden som hardware og software fortsætter med at udvikle sig, kan vi forvente at se mere sofistikerede og performante raytracing-teknikker blive inkorporeret i webapplikationer. WebGPU vil sandsynligvis spille en stor rolle i at få dette til at ske.

Fremtidig forskning og udvikling på dette område kan fokusere på:

• Forbedrede Raytracing-Algoritmer: Udvikling af mere effektive og robuste raytracing-algoritmer, der er velegnede til webbaserede miljøer.
• Avancerede Denoising-Teknikker: Oprettelse af mere effektive denoising-algoritmer, der kan reducere støj i raytracede billeder med minimal indvirkning på ydeevnen.
• Automatisk Optimering: Udvikling af værktøjer og teknikker til automatisk optimering af raytracing-ydeevnen baseret på hardwarekapacitet og scenekompleksitet.
• Integration med AI: Udnyttelse af AI og maskinlæring til at forbedre raytracing-ydeevne og -kvalitet, f.eks. ved hjælp af AI til at accelerere denoising eller til intelligent at sample scenen.

Konklusion

WebGL raytracing global illumination repræsenterer et betydeligt skridt i retning af at opnå fysisk præcis belysning i webapplikationer. Ved at udnytte kraften i raytracing og PBR kan udviklere skabe mere realistiske og fordybende 3D-oplevelser, der engang kun var mulige i offline rendering miljøer. Mens der stadig er udfordringer, baner de løbende fremskridt inden for hardware og software vejen for en fremtid, hvor realtids raytracing bliver en standardfunktion i webgrafik. Efterhånden som teknologien modnes, kan vi forvente en ny bølge af visuelt fantastiske og interaktive webapplikationer, der udvisker grænsen mellem virtuelle og virkelige verdener. Fra interaktive produktkonfiguratorer og arkitektoniske visualiseringer til fordybende spiloplevelser og virtual reality-applikationer har WebGL raytracing global illumination potentialet til at revolutionere den måde, vi interagerer med 3D-indhold på nettet.