WebGL Raytracing: Real-Time Ray Tracing med WebGL Compute Shaders

Ray tracing, en renderingsteknik kendt for sine fotorealistiske billeder, har traditionelt været beregningsmæssigt intensiv og forbeholdt offline rendering-processer. Men fremskridt inden for GPU-teknologi og introduktionen af compute shaders har åbnet døren for real-time ray tracing i WebGL, hvilket bringer high-fidelity grafik til webbaserede applikationer. Denne artikel giver en omfattende guide til implementering af real-time ray tracing ved hjælp af compute shaders i WebGL, målrettet et globalt publikum af udviklere, der er interesserede i at skubbe grænserne for webgrafik.

Hvad er Ray Tracing?

Ray tracing simulerer den måde, lys bevæger sig på i den virkelige verden. I stedet for at rasterisere polygoner, kaster ray tracing stråler fra kameraet (eller øjet) gennem hver pixel på skærmen og ind i scenen. Disse stråler krydser objekter, og baseret på disse objekters materialeegenskaber bestemmes farven på pixlen ved at beregne, hvordan lyset reflekteres og interagerer med overfladen. Denne proces kan inkludere refleksioner, refraktioner og skygger, hvilket resulterer i meget realistiske billeder.

Nøglebegreber i Ray Tracing:

• Ray Casting: Processen med at skyde stråler fra kameraet ind i scenen.
• Krydsningstests: At bestemme, hvor en stråle krydser objekter i scenen.
• Overfladenormaler: Vektorer vinkelret på overfladen ved krydsningspunktet, brugt til at beregne refleksion og refraktion.
• Materialeegenskaber: Definerer, hvordan en overflade interagerer med lys (f.eks. farve, reflektivitet, ruhed).
• Skyggestråler: Stråler kastet fra krydsningspunktet mod lyskilder for at afgøre, om punktet er i skygge.
• Refleksions- og Refraktionsstråler: Stråler kastet fra krydsningspunktet for at simulere refleksioner og refraktioner.

Hvorfor WebGL og Compute Shaders?

WebGL tilbyder et cross-platform API til rendering af 2D- og 3D-grafik i en webbrowser uden brug af plug-ins. Compute shaders, introduceret med WebGL 2.0, muliggør generel beregning på GPU'en. Dette giver os mulighed for at udnytte GPU'ens parallelle processeringskraft til at udføre ray tracing-beregninger effektivt.

Fordele ved at bruge WebGL til Ray Tracing:

• Cross-Platform Kompatibilitet: WebGL fungerer i enhver moderne webbrowser, uanset operativsystem.
• Hardwareacceleration: Udnytter GPU'en til hurtig rendering.
• Ingen Plugins Nødvendige: Eliminerer behovet for, at brugere installerer yderligere software.
• Tilgængelighed: Gør ray tracing tilgængeligt for et bredere publikum via internettet.

Fordele ved at bruge Compute Shaders:

• Parallel Processering: Udnytter den massivt parallelle arkitektur i GPU'er til effektive ray tracing-beregninger.
• Fleksibilitet: Giver mulighed for brugerdefinerede algoritmer og optimeringer skræddersyet til ray tracing.
• Direkte GPU-adgang: Omgår den traditionelle rendering pipeline for større kontrol.

Implementeringsoversigt

Implementering af ray tracing i WebGL ved hjælp af compute shaders involverer flere nøgletrin:

1. Opsætning af WebGL-kontekst: Oprettelse af en WebGL-kontekst og aktivering af de nødvendige udvidelser (WebGL 2.0 er påkrævet).
2. Oprettelse af Compute Shaders: Skrivning af GLSL-kode til den compute shader, der udfører ray tracing-beregningerne.
3. Oprettelse af Shader Storage Buffer Objects (SSBO'er): Allokering af hukommelse på GPU'en til at gemme scenedata, stråledata og det endelige billede.
4. Afsendelse af Compute Shader: Start af compute shaderen for at behandle dataene.
5. Aflæsning af resultaterne: Hentning af det renderede billede fra SSBO'en og visning af det på skærmen.

Detaljerede Implementeringstrin

1. Opsætning af WebGL-kontekst

Det første trin er at oprette en WebGL 2.0-kontekst. Dette indebærer at hente et canvas-element fra HTML'en og derefter anmode om en WebGL2RenderingContext. Fejlhåndtering er afgørende for at sikre, at konteksten oprettes korrekt.

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

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

              
                Copy
              
            
          

2. Oprettelse af Compute Shaders

Kernen i ray traceren er compute shaderen, skrevet i GLSL. Denne shader vil være ansvarlig for at kaste stråler, udføre krydsningstests og beregne farven på hver pixel. Compute shaderen vil operere på et gitter af arbejdsgrupper, hvor hver gruppe behandler et lille område af billedet.

Her er et forenklet eksempel på en compute shader, der beregner en grundlæggende farve baseret på pixelkoordinaterne:

            #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
              
            
          

Denne shader definerer en arbejdsgruppestørrelse på 8x8, en output-buffer kaldet `pixels`, og en uniform variabel for skærmopløsningen. Hvert arbejdselement (pixel) beregner sin farve baseret på sin position og skriver den til output-bufferen.

3. Oprettelse af Shader Storage Buffer Objects (SSBO'er)

SSBO'er bruges til at gemme data, der deles mellem CPU'en og GPU'en. I dette tilfælde vil vi bruge SSBO'er til at gemme scenedata (f.eks. trekantvertices, materialeegenskaber), stråledata og det endelige renderede billede. Opret SSBO'en, bind den til et bindingspunkt, og fyld den med startdata.

            // 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. Afsendelse af Compute Shader

For at køre compute shaderen skal vi afsende den. Dette indebærer at specificere antallet af arbejdsgrupper, der skal startes i hver dimension. Antallet af arbejdsgrupper bestemmes ved at dividere det samlede antal pixels med arbejdsgruppestørrelsen defineret i shaderen.

            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` starter compute shaderen. `gl.memoryBarrier` sikrer, at GPU'en er færdig med at skrive til SSBO'en, før CPU'en forsøger at læse fra den.

5. Aflæsning af resultaterne

Efter at compute shaderen er færdig med at køre, skal vi læse det renderede billede fra SSBO'en tilbage til CPU'en. Dette indebærer at oprette en buffer på CPU'en og derefter bruge `gl.getBufferSubData` til at kopiere dataene fra SSBO'en til CPU-bufferen. Til sidst oprettes et billedelement ved hjælp af dataene.

            // 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
              
            
          

Scenerepræsentation og Accelerationsstrukturer

Et afgørende aspekt af ray tracing er effektivt at finde krydsningspunkterne mellem stråler og objekter i scenen. Brute-force krydsningstests, hvor hver stråle testes mod hvert objekt, er beregningsmæssigt dyre. For at forbedre ydeevnen bruges accelerationsstrukturer til at organisere scenedata og hurtigt frasortere objekter, der sandsynligvis ikke vil krydse en given stråle.

Almindelige Accelerationsstrukturer:

• Bounding Volume Hierarchy (BVH): En hierarkisk træstruktur, hvor hver knude repræsenterer et afgrænsningsvolumen, der omslutter et sæt objekter. Dette gør det muligt hurtigt at afvise store dele af scenen.
• Kd-Tree: En rumopdelende datastruktur, der rekursivt opdeler scenen i mindre regioner.
• Spatial Hashing: Opdeler scenen i et gitter af celler og gemmer objekter i de celler, de krydser.

For WebGL ray tracing er BVH'er ofte det foretrukne valg på grund af deres relative lethed i implementering og gode ydeevne. Implementering af en BVH involverer følgende trin:

1. Beregning af Bounding Box: Beregn afgrænsningsboksen for hvert objekt i scenen (f.eks. trekanter).
2. Trækonstruktion: Opdel rekursivt scenen i mindre afgrænsningsbokse, indtil hver bladknude indeholder et lille antal objekter. Almindelige opdelingskriterier inkluderer midtpunktet af den længste akse eller overfladearealheuristikken (SAH).
3. Gennemgang: Gennemgå BVH'en under ray tracing, startende fra rodknuden. Hvis strålen krydser en knudes afgrænsningsboks, gennemgås dens børn rekursivt. Hvis strålen krydser en bladknude, udføres krydsningstests mod objekterne i den knude.

Eksempel på BVH-struktur i GLSL (forenklet):

            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
              
            
          

Stråle-Trekant Krydsning

Den mest grundlæggende krydsningstest i ray tracing er stråle-trekant-krydsningen. Der findes talrige algoritmer til at udføre denne test, herunder Möller–Trumbore-algoritmen, som er meget udbredt på grund af dens effektivitet og enkelhed.

Möller–Trumbore Algoritmen:

Möller–Trumbore-algoritmen beregner krydsningspunktet for en stråle med en trekant ved at løse et system af lineære ligninger. Det involverer beregning af barycentriske koordinater, som bestemmer positionen af krydsningspunktet inden i trekanten. Hvis de barycentriske koordinater er inden for intervallet [0, 1] og deres sum er mindre end eller lig med 1, krydser strålen trekanten.

Eksempel på GLSL-kode:

            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
              
            
          

Shading og Belysning

Når krydsningspunktet er fundet, er næste skridt at beregne farven på pixlen. Dette indebærer at bestemme, hvordan lys interagerer med overfladen ved krydsningspunktet. Almindelige shading-modeller inkluderer:

• Phong Shading: En simpel shading-model, der beregner de diffuse og spejlende komponenter af lys.
• Blinn-Phong Shading: En forbedring af Phong shading, der bruger en halfway-vektor til at beregne den spejlende komponent.
• Physically Based Rendering (PBR): En mere realistisk shading-model, der tager højde for materialers fysiske egenskaber.

Ray tracing giver mulighed for mere avancerede lyseffekter end rasterisering, såsom global belysning, refleksioner og refraktioner. Disse effekter kan implementeres ved at kaste yderligere stråler fra krydsningspunktet.

Eksempel: Beregning af Diffus Belysning

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

            

              
                Copy
              
            
          

Ydelsesovervejelser og Optimeringer

Ray tracing er beregningsmæssigt intensivt, og at opnå real-time ydeevne i WebGL kræver omhyggelig optimering. Her er nogle nøgleteknikker:

• Accelerationsstrukturer: Som tidligere nævnt er brugen af accelerationsstrukturer som BVH'er afgørende for at reducere antallet af krydsningstests.
• Tidlig Stråleterminering: Afslut stråler tidligt, hvis de ikke bidrager væsentligt til det endelige billede. For eksempel kan skyggestråler afsluttes, så snart de rammer et objekt.
• Adaptiv Sampling: Brug et variabelt antal samples pr. pixel, afhængigt af scenens kompleksitet. Områder med høj detaljegrad eller kompleks belysning kan renderes med flere samples.
• Denoising: Brug denoising-algoritmer til at reducere støj i det renderede billede, hvilket tillader færre samples pr. pixel.
• Compute Shader Optimeringer: Optimer compute shader-koden ved at minimere hukommelsesadgang, bruge vektoroperationer og undgå forgreninger.
• Justering af Arbejdsgruppestørrelse: Eksperimenter med forskellige arbejdsgruppestørrelser for at finde den optimale konfiguration for den pågældende GPU.
• Brug af Hardware Ray Tracing (hvis tilgængeligt): Nogle GPU'er tilbyder nu dedikeret hardware til ray tracing. Tjek for og udnyt udvidelser, der eksponerer denne funktionalitet i WebGL.

Globale Eksempler og Anvendelser

Ray tracing i WebGL har talrige potentielle anvendelser på tværs af forskellige industrier globalt:

• Spil: Forbedre den visuelle kvalitet af webbaserede spil med realistisk belysning, refleksioner og skygger.
• Produktvisualisering: Opret interaktive 3D-modeller af produkter med fotorealistisk rendering til e-handel og markedsføring. For eksempel kunne et møbelfirma i Sverige lade kunder visualisere møbler i deres hjem med nøjagtig belysning og refleksioner.
• Arkitektonisk Visualisering: Visualiser arkitektoniske designs med realistisk belysning og materialer. Et arkitektfirma i Dubai kunne bruge ray tracing til at fremvise bygningsdesigns med nøjagtige sollys- og skyggesimuleringer.
• Virtual Reality (VR) og Augmented Reality (AR): Forbedre realismen i VR- og AR-oplevelser ved at inkorporere ray-traced effekter. For eksempel kunne et museum i London tilbyde en VR-rundvisning med forbedrede visuelle detaljer gennem ray tracing.
• Videnskabelig Visualisering: Visualiser komplekse videnskabelige data med realistiske renderingsteknikker. Et forskningslaboratorium i Japan kunne bruge ray tracing til at visualisere molekylære strukturer med nøjagtig belysning og skygger.
• Uddannelse: Udvikle interaktive uddannelsesværktøjer, der demonstrerer principperne for optik og lystransport.

Udfordringer og Fremtidige Retninger

Selvom real-time ray tracing i WebGL bliver mere og mere muligt, er der stadig flere udfordringer:

• Ydeevne: At opnå høje billedhastigheder med komplekse scener er stadig en udfordring.
• Kompleksitet: Implementering af en fuldt udbygget ray tracer kræver en betydelig programmeringsindsats.
• Hardwaresupport: Ikke alle GPU'er understøtter de nødvendige udvidelser til compute shaders eller hardware ray tracing.

Fremtidige retninger for WebGL ray tracing inkluderer:

• Forbedret Hardwaresupport: I takt med at flere GPU'er inkorporerer dedikeret ray tracing-hardware, vil ydeevnen forbedres markant.
• Standardiserede API'er: Udviklingen af standardiserede API'er til hardware ray tracing i WebGL vil forenkle implementeringsprocessen.
• Avancerede Denoising-teknikker: Mere sofistikerede denoising-algoritmer vil muliggøre billeder af højere kvalitet med færre samples.
• Integration med WebAssembly (Wasm): Brug af WebAssembly til at implementere beregningsmæssigt intensive dele af ray traceren kunne forbedre ydeevnen.

Konklusion

Real-time ray tracing i WebGL ved hjælp af compute shaders er et felt i hastig udvikling med potentialet til at revolutionere webgrafik. Ved at forstå det grundlæggende i ray tracing, udnytte kraften i compute shaders og anvende optimeringsteknikker, kan udviklere skabe fantastiske visuelle oplevelser, der engang blev betragtet som umulige i en webbrowser. I takt med at hardware og software fortsætter med at forbedres, kan vi forvente at se endnu mere imponerende anvendelser af ray tracing på nettet i de kommende år, tilgængelige for et globalt publikum fra enhver enhed med en moderne browser.

Denne guide har givet en omfattende oversigt over de koncepter og teknikker, der er involveret i implementeringen af real-time ray tracing i WebGL. Vi opfordrer udviklere verden over til at eksperimentere med disse teknikker og bidrage til fremme af webgrafik.