WebGL Raytracing Globale Beleuchtung: Physikalisch korrekte Beleuchtung in Webanwendungen erzielen

Das Streben nach Realismus in der 3D-Grafik hat kontinuierliche Innovationen bei Rendering-Techniken vorangetrieben. Raytracing, das aufgrund seines Rechenaufwands einst auf Offline-Rendering beschränkt war, wird dank Fortschritten in Hardware und APIs wie WebGL zunehmend in Echtzeitumgebungen zugänglich. Dieser Artikel befasst sich mit der faszinierenden Welt der WebGL-Raytracing-globalen Beleuchtung und untersucht, wie physikalisch korrekte Beleuchtung in Webanwendungen erzielt werden kann.

Verständnis von Globaler Beleuchtung

Globale Beleuchtung (GI) bezieht sich auf eine Reihe von Rendering-Techniken, die simulieren, wie Licht in einer Szene umherprallt, und so ein realistischeres und immersiveres visuelles Erlebnis schaffen. Im Gegensatz zur direkten Beleuchtung, die nur Lichtquellen berücksichtigt, die Oberflächen direkt beleuchten, berücksichtigt GI indirekte Beleuchtung – Licht, das von anderen Oberflächen in der Umgebung reflektiert, gebrochen oder gestreut wird. Dies schließt Effekte ein wie:

• Diffuse Interreflexion: Licht, das zwischen diffusen Oberflächen abprallt und zu Farbverblutungen und subtiler Umgebungsbeleuchtung führt. Stellen Sie sich eine rote Wand vor, die einen schwachen roten Farbton auf einen nahe gelegenen weißen Boden wirft.
• Spiegelnde Reflexion: Genaue Reflexionen von Lichtquellen und der umgebenden Umgebung auf glänzenden Oberflächen. Denken Sie an die Reflexion eines Fensters in einer polierten Metallsphäre.
• Brechung: Licht, das sich beim Durchgang durch transparente Materialien biegt und so realistische Verzerrungen und Kaustiken erzeugt. Betrachten Sie die Art und Weise, wie ein Glas Wasser Licht biegt und Muster auf der darunter liegenden Oberfläche erzeugt.
• Subsurface Scattering (SSS): Licht, das in transluzente Materialien eindringt und sich intern streut, bevor es austritt, was zu einem weichen, beleuchteten Aussehen führt. Beispiele hierfür sind Haut, Marmor und Milch.

Die Erzielung einer realistischen globalen Beleuchtung verbessert die visuelle Qualität von 3D-Szenen erheblich und macht sie glaubwürdiger und ansprechender. Die Simulation dieser Effekte ist jedoch rechenintensiv.

Raytracing: Ein Weg zu realistischer Beleuchtung

Raytracing ist eine Rendering-Technik, die das Verhalten von Licht simuliert, indem Strahlen von der Kamera (oder dem Auge) durch jedes Pixel im Bild und in die Szene verfolgt werden. Wenn ein Strahl auf eine Oberfläche trifft, ermittelt der Raytracer die Farbe und Helligkeit dieses Punktes, indem er die Lichteffekte an dieser Stelle berücksichtigt. Dieser Prozess kann rekursiv wiederholt werden, um Reflexionen, Brechungen und andere komplexe Lichtinteraktionen zu simulieren.

Die traditionelle rasterisierungsbasierte Darstellung, die seit vielen Jahren die dominierende Methode in der Echtzeitgrafik ist, approximiert globale Beleuchtung durch Techniken wie Ambient Occlusion, Screen-Space-Reflexionen und Licht-Sonden. Während diese Methoden visuell ansprechende Ergebnisse liefern können, mangelt es ihnen oft an der Genauigkeit und physikalischen Korrektheit des Raytracings.

Raytracing hingegen behandelt globale Beleuchtungseffekte natürlich, indem es den Pfaden von Lichtstrahlen folgt, wie sie mit der Szene interagieren. Dies ermöglicht eine genaue Simulation von Reflexionen, Brechungen und anderen komplexen Lichttransportphänomenen.

WebGL und Raytracing: Eine wachsende Landschaft

WebGL (Web Graphics Library) ist eine JavaScript-API zum Rendern von interaktiven 2D- und 3D-Grafiken in jedem kompatiblen Webbrowser ohne Plug-ins. Sie nutzt die zugrunde liegende Grafikkarte (GPU), um die Rendering-Leistung zu beschleunigen. Traditionell wurde WebGL mit rasterisierungsbasiertem Rendering in Verbindung gebracht.

Jüngste Fortschritte in WebGL, insbesondere mit der Einführung von WebGL 2 und Erweiterungen wie GL_EXT_ray_tracing und WEBGL_gpu_acceleration, eröffnen jedoch Möglichkeiten zur Integration von Raytracing-Techniken in Webanwendungen. Diese Erweiterungen bieten Zugriff auf GPU-beschleunigte Raytracing-Funktionen, die es Entwicklern ermöglichen, realistischere und visuell beeindruckendere webbasierte Erlebnisse zu schaffen.

Mehrere Ansätze existieren für die Implementierung von Raytracing in WebGL:

• Compute Shader: Compute Shader ermöglichen allgemeine Berechnungen auf der GPU. Raytracing-Algorithmen können mithilfe von Compute Shadern implementiert werden, die Ray-Szenen-Schnittstellentests durchführen und Beleuchtungseffekte berechnen. Dieser Ansatz erfordert mehr manuelle Implementierung, bietet aber Flexibilität und Kontrolle.
• Hardwarebeschleunigte Raytracing-Erweiterungen: Erweiterungen wie GL_EXT_ray_tracing bieten direkten Zugriff auf Hardware-Raytracing-Funktionen, sofern diese auf dem Gerät des Benutzers verfügbar sind. Dieser Ansatz kann die Leistung im Vergleich zu Compute-Shader-basierten Implementierungen erheblich verbessern. Er ist jedoch auf die Verfügbarkeit spezifischer Hardware- und Treiberunterstützung angewiesen.
• WebGPU: WebGPU ist ein Nachfolger von WebGL, der eine modernere und effizientere API für den Zugriff auf GPU-Funktionen bietet. WebGPU hat native Unterstützung für Raytracing und ist damit eine vielversprechende Plattform für zukünftige webbasierte Raytracing-Anwendungen.

Implementierung von WebGL Raytracing Globaler Beleuchtung

Die Implementierung von WebGL-Raytracing-globaler Beleuchtung ist ein komplexes Unterfangen, das ein solides Verständnis der Prinzipien der Computergrafik, der Raytracing-Algorithmen und der WebGL-Programmierung erfordert.

Hier ist ein vereinfachter Überblick über die typischen Schritte:

1. Szenenrepräsentation: Stellen Sie die 3D-Szene mithilfe von Datenstrukturen dar, die für Ray-Szenen-Schnittstellentests effizient sind. Häufig verwendete Datenstrukturen sind Bounding Volume Hierarchien (BVHs) und k-d-Bäume. Diese Strukturen beschleunigen den Raytracing-Prozess, indem sie große Teile der Szene schnell verwerfen, die wahrscheinlich nicht von einem bestimmten Strahl geschnitten werden.
2. Strahlengenerierung: Generieren Sie Strahlen von der Kamera durch jedes Pixel im Bild. Die Richtung jedes Strahls wird durch die Position, Ausrichtung und das Sichtfeld der Kamera bestimmt.
3. Ray-Szenen-Schnittstelle: Führen Sie für jeden Strahl Schnittstellentests gegen alle Objekte in der Szene durch. Dies beinhaltet die Ermittlung, ob der Strahl jedes Objekt schneidet, und falls ja, die Berechnung des Schnittpunkts.
4. Shading: Berechnen Sie am Schnittpunkt die Farbe und Helligkeit der Oberfläche basierend auf dem Beleuchtungsmodell. Dies beinhaltet die Berücksichtigung der direkten Beleuchtung von Lichtquellen sowie der indirekten Beleuchtung durch globale Beleuchtungseffekte.
5. Sampling der Globalen Beleuchtung: Für die globale Beleuchtung emittieren Sie zusätzliche Strahlen vom Schnittpunkt, um die umgebende Umgebung abzutasten. Diese Strahlen werden verwendet, um die Lichtmenge abzuschätzen, die den Punkt von anderen Oberflächen in der Szene erreicht. Techniken wie Path Tracing, Monte-Carlo-Integration und Importance Sampling werden häufig verwendet, um den Lichttransport effizient abzutasten.
6. Rekursives Raytracing: Wiederholen Sie die Schritte 3-5 rekursiv für Reflexions- und Brechungsstrahlen, um die Wege des Lichts zu verfolgen, wie es in der Szene abprallt. Die Rekursionstiefe ist typischerweise begrenzt, um übermäßige Berechnungen zu vermeiden.
7. Ausgabe: Geben Sie die endgültige Farbe für jedes Pixel auf der WebGL-Leinwand aus.

Path Tracing: Eine leistungsstarke GI-Technik

Path Tracing ist ein Monte-Carlo-Raytracing-Algorithmus, der globale Beleuchtung simuliert, indem zufällige Lichtpfade durch die Szene verfolgt werden. Es ist eine konzeptionell einfache, aber leistungsstarke Technik, die hochrealistische Ergebnisse erzielen kann.

Beim Path Tracing werden nicht nur Strahlen von der Kamera verfolgt, sondern auch von den Lichtquellen. Diese Strahlen prallen in der Szene ab, interagieren mit Oberflächen und erreichen schließlich die Kamera. Die Farbe jedes Pixels wird dann bestimmt, indem die Beiträge aller Lichtpfade gemittelt werden, die die Kamera durch dieses Pixel erreichen.

Path Tracing ist von Natur aus eine Monte-Carlo-Methode, was bedeutet, dass sie auf zufällige Stichproben angewiesen ist, um den Lichttransport abzuschätzen. Dies kann zu verrauschten Bildern führen, insbesondere bei einer geringen Anzahl von Stichproben. Das Rauschen kann jedoch durch Erhöhung der Anzahl der Stichproben pro Pixel reduziert werden. Progressive Rendering-Techniken, bei denen das Bild im Laufe der Zeit allmählich verfeinert wird, während mehr Stichproben gesammelt werden, werden häufig verwendet, um die Benutzererfahrung zu verbessern.

Beispiel: Implementierung von diffuser globaler Beleuchtung mit Path Tracing

Betrachten wir ein vereinfachtes Beispiel für die Implementierung von diffuser globaler Beleuchtung mit Path Tracing in WebGL. Dieses Beispiel konzentriert sich auf das Kernkonzept des Verfolgens von Strahlen, um indirekte Beleuchtungsinformationen zu sammeln.

Fragment Shader (Vereinfacht):

            #version 300 es
precision highp float;

in vec3 worldPosition;
in vec3 worldNormal;

uniform vec3 lightPosition;
uniform vec3 cameraPosition;

out vec4 fragColor;

// Zufallszahlengenerator (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);

    // Direkte Beleuchtung (Vereinfacht)
    vec3 lightDir = normalize(lightPosition - worldPosition);
    float diffuse = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    vec3 directLighting = vec3(1.0, 1.0, 1.0) * diffuse;

    // Indirekte Beleuchtung (Path Tracing)
    vec3 indirectLighting = vec3(0.0);
    int numSamples = 10;
    for (int i = 0; i < numSamples; ++i) {
        vec3 randomDir = randomDirection(normal);

        //  Vereinfacht: Annahme einer konstanten Farbe zur Vereinfachung (ersetzen durch tatsächliches Szenen-Sampling)
        indirectLighting += vec3(0.5, 0.5, 0.5); // Beispiel indirekte Farbe
    }
    indirectLighting /= float(numSamples);

    fragColor = vec4(directLighting + indirectLighting, 1.0);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Erklärung:

• Weltposition und Normalenvektor: Dies sind interpolierte Vertex-Attribute, die vom Vertex-Shader übergeben werden.
• Lichtposition und Kameraposition: Uniform-Variablen, die die Positionen der Lichtquelle und der Kamera darstellen.
• Zufallszahlengenerator: Ein einfacher linearer Kongruenzgenerator (LCG) wird zur Erzeugung von Pseudozufallszahlen für die Richtungsabtastung verwendet. In der Produktion sollte ein besserer RNG verwendet werden.
• Zufällige Richtung: Generiert eine zufällige Richtung auf der Hemisphäre um den Normalenvektor. Dies wird verwendet, um das einfallende Licht aus verschiedenen Richtungen abzutasten.
• Direkte Beleuchtung: Berechnet die diffuse Komponente der direkten Beleuchtung mithilfe des Skalarprodukts aus Normalenvektor und Lichtrichtung.
• Indirekte Beleuchtung (Path Tracing):
  • Eine Schleife durchläuft eine angegebene Anzahl von Malen (numSamples).
  • Bei jeder Iteration wird eine zufällige Richtung mithilfe der Funktion randomDirection generiert.
  • Vereinfachtes Szenen-Sampling: In diesem vereinfachten Beispiel nehmen wir eine konstante Farbe für die indirekte Beleuchtung an. In einer echten Implementierung würden Sie einen Strahl in der Richtung randomDir verfolgen und die Farbe des Objekts abtasten, das der Strahl schneidet. Dies beinhaltet rekursives Raytracing, das in diesem vereinfachten Beispiel nicht gezeigt wird.
  • Der indirekte Beleuchtungsbeitrag wird akkumuliert und dann durch die Anzahl der Stichproben geteilt, um einen Durchschnitt zu erhalten.
• Endgültige Farbe: Die endgültige Farbe wird durch Addition der direkten und indirekten Beleuchtungskomponenten berechnet.

Wichtige Hinweise:

• Dies ist ein sehr vereinfachtes Beispiel. Ein vollständiger Path Tracer erfordert anspruchsvollere Techniken für die Ray-Szenen-Schnittstelle, die Materialauswertung und die Varianzreduktion.
• Szenendaten: Dieses Beispiel geht davon aus, dass die Szenengeometrie und die Materialeigenschaften bereits geladen und im Shader verfügbar sind.
• Raytracing-Implementierung: Der Raytracing-Teil (Verfolgen von Strahlen und Finden von Schnittpunkten) ist in diesem Beispiel nicht explizit gezeigt. Er wird von einem anderen Teil des Codes gehandhabt, z. B. durch die Verwendung von Compute Shadern oder Hardware-Raytracing-Erweiterungen. Das Beispiel konzentriert sich auf den Shading-Aspekt, nachdem ein Strahl eine Oberfläche geschnitten hat.
• Rauschen: Path Tracing erzeugt häufig verrauschte Bilder, insbesondere bei einer geringen Anzahl von Stichproben. Varianzreduktionstechniken wie Importance Sampling und Stratified Sampling können verwendet werden, um das Rauschen zu reduzieren.

Physikalisch Basierte Darstellung (PBR)

Physically Based Rendering (PBR) ist ein Rendering-Ansatz, der darauf abzielt, die Interaktion von Licht mit Materialien physikalisch korrekt zu simulieren. PBR-Materialien werden durch Parameter definiert, die realen physikalischen Eigenschaften entsprechen, wie z. B.:

• Basisfarbe (Albedo): Die inhärente Farbe des Materials.
• Metallic: Zeigt an, ob das Material metallisch oder nichtmetallisch ist.
• Rauheit: Beschreibt die Oberflächenrauheit, die die Menge der spiegelnden Reflexion beeinflusst. Eine raue Oberfläche streut Licht diffuser, während eine glatte Oberfläche schärfere Reflexionen erzeugt.
• Spiegelnd: Steuert die Intensität der spiegelnden Reflexion.
• Normal Map: Eine Textur, die Normalenvektoren speichert und die Simulation detaillierter Oberflächengeometrie ermöglicht, ohne die Polygonanzahl tatsächlich zu erhöhen.

Durch die Verwendung von PBR-Materialien können Sie realistischere und konsistentere Beleuchtungseffekte in verschiedenen Umgebungen erzielen. In Kombination mit globalen Beleuchtungstechniken kann PBR außergewöhnlich realistische Ergebnisse liefern.

Integration von PBR mit WebGL Raytracing GI

Um PBR mit WebGL-Raytracing-globaler Beleuchtung zu integrieren, müssen Sie PBR-Materialeigenschaften in den Shading-Berechnungen innerhalb des Raytracing-Algorithmus verwenden.

Dies beinhaltet:

• Auswertung der BRDF: Die Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF) beschreibt, wie Licht von einer Oberfläche an einem bestimmten Punkt reflektiert wird. PBR-Materialien verwenden spezifische BRDFs, die auf physikalischen Prinzipien basieren, wie der Cook-Torrance BRDF.
• Abtasten der Umgebung: Bei der Berechnung der globalen Beleuchtung müssen Sie die umgebende Umgebung abtasten, um die von der Oberfläche ankommende Lichtmenge abzuschätzen. Dies kann mithilfe von Umgebungskarten oder durch Verfolgen von Strahlen zur Abtastung der Szene direkt erfolgen.
• Anwendung der Energieerhaltung: PBR-Materialien sind energieerhaltend, was bedeutet, dass die Gesamtmenge des von einer Oberfläche reflektierten Lichts nicht die Menge des einfallenden Lichts überschreiten kann. Diese Einschränkung hilft sicherzustellen, dass die Beleuchtung realistisch aussieht.

Die Cook-Torrance BRDF ist eine beliebte Wahl für PBR-Rendering, da sie relativ einfach zu implementieren ist und realistische Ergebnisse liefert. Sie besteht aus drei Hauptkomponenten:

• Diffuse Komponente: Repräsentiert das Licht, das diffus von der Oberfläche gestreut wird. Diese wird typischerweise mithilfe des Lambertschen Kosinusgesetzes berechnet.
• Spiegelnde Komponente: Repräsentiert das Licht, das spiegelnd von der Oberfläche reflektiert wird. Diese Komponente wird mithilfe eines Mikrofacettenmodells berechnet, das davon ausgeht, dass die Oberfläche aus winzigen, perfekt reflektierenden Mikrofacetten besteht.
• Geometriefunktion: Berücksichtigt das Maskieren und Schattenwerfen von Mikrofacetten.
• Fresnel-Term: Beschreibt die Lichtmenge, die unter verschiedenen Winkeln von der Oberfläche reflektiert wird.
• Verteilungsfunktion: Beschreibt die Verteilung der Mikrofacetten-Normalenvektoren.

Leistungsaspekte

Raytracing, insbesondere mit globaler Beleuchtung, ist rechenintensiv. Die Erzielung von Echtzeit-Performance in WebGL erfordert sorgfältige Optimierung und Berücksichtigung der Hardware-Fähigkeiten.

Hier sind einige wichtige Techniken zur Leistungsoptimierung:

• Bounding Volume Hierarchien (BVHs): Verwenden Sie BVHs oder andere räumliche Beschleunigungsstrukturen, um die Anzahl der Ray-Szenen-Schnittstellentests zu reduzieren.
• Ray Batching: Verarbeiten Sie Strahlen in Stapeln, um die GPU-Auslastung zu verbessern.
• Adaptives Sampling: Verwenden Sie adaptive Sampling-Techniken, um die Rechenressourcen auf Bereiche des Bildes zu konzentrieren, die mehr Stichproben benötigen.
• Denoising: Wenden Sie Denoising-Algorithmen an, um Rauschen in den gerenderten Bildern zu reduzieren, was weniger Stichproben pro Pixel ermöglicht. Zeitliche Akkumulation kann auch zur Rauschunterdrückung des endgültigen Bildes beitragen.
• Hardwarebeschleunigung: Nutzen Sie Hardware-Raytracing-Erweiterungen, sofern verfügbar.
• Niedrigere Auflösung: Rendern Sie mit einer niedrigeren Auflösung und skalieren Sie das Bild hoch, um die Leistung zu verbessern.
• Progressives Rendering: Verwenden Sie progressives Rendering, um schnell ein initiales Bild von geringer Qualität anzuzeigen und es dann im Laufe der Zeit schrittweise zu verfeinern.
• Shader optimieren: Optimieren Sie den Shader-Code sorgfältig, um die Rechenkosten von Shading-Berechnungen zu reduzieren.

Herausforderungen und zukünftige Richtungen

Obwohl WebGL-Raytracing-globale Beleuchtung ein immenses Potenzial birgt, bleiben mehrere Herausforderungen bestehen:

• Hardwareanforderungen: Die Leistung von Raytracing hängt stark von der zugrunde liegenden Hardware ab. Nicht alle Geräte unterstützen Hardware-Raytracing, und die Leistung kann zwischen verschiedenen GPUs erheblich variieren.
• Komplexität: Die Implementierung von Raytracing-Algorithmen und deren Integration in bestehende WebGL-Anwendungen kann komplex und zeitaufwändig sein.
• Leistungsoptimierung: Die Erzielung von Echtzeit-Performance erfordert erhebliche Optimierungsbemühungen und eine sorgfältige Berücksichtigung der Hardware-Beschränkungen.
• Browserunterstützung: Eine konsistente Browserunterstützung für Raytracing-Erweiterungen ist für eine breite Akzeptanz unerlässlich.

Trotz dieser Herausforderungen sieht die Zukunft des WebGL-Raytracings vielversprechend aus. Da sich Hardware und Software weiterentwickeln, können wir erwarten, dass anspruchsvollere und leistungsfähigere Raytracing-Techniken in Webanwendungen integriert werden. WebGPU wird wahrscheinlich eine wichtige Rolle dabei spielen.

Zukünftige Forschung und Entwicklung in diesem Bereich könnten sich auf Folgendes konzentrieren:

• Verbesserte Raytracing-Algorithmen: Entwicklung effizienterer und robusterer Raytracing-Algorithmen, die für webbasierte Umgebungen gut geeignet sind.
• Fortgeschrittene Denoising-Techniken: Erstellung effektiverer Denoising-Algorithmen, die Rauschen in Raytracing-Bildern mit minimalen Leistungseinbußen reduzieren können.
• Automatische Optimierung: Entwicklung von Tools und Techniken zur automatischen Optimierung der Raytracing-Leistung basierend auf Hardware-Fähigkeiten und Szenenkomplexität.
• Integration mit KI: Nutzung von KI und maschinellem Lernen zur Verbesserung der Raytracing-Leistung und -Qualität, z. B. durch KI zur Beschleunigung des Denoising oder zur intelligenten Abtastung der Szene.

Schlussfolgerung

WebGL-Raytracing-globale Beleuchtung stellt einen bedeutenden Schritt zur Erzielung physikalisch korrekter Beleuchtung in Webanwendungen dar. Durch die Nutzung der Leistung von Raytracing und PBR können Entwickler realistischere und immersivere 3D-Erlebnisse schaffen, die einst nur in Offline-Rendering-Umgebungen möglich waren. Obwohl weiterhin Herausforderungen bestehen, ebnen die fortschreitenden Fortschritte in Hardware und Software den Weg für eine Zukunft, in der Echtzeit-Raytracing zu einer Standardfunktion der Webgrafik wird. Wenn sich die Technologie weiterentwickelt, können wir eine neue Welle visuell beeindruckender und interaktiver Webanwendungen erwarten, die die Grenze zwischen virtueller und realer Welt verschwimmen lassen. Von interaktiven Produktkonfiguratoren und architektonischen Visualisierungen über immersive Spielerlebnisse bis hin zu Virtual-Reality-Anwendungen hat die WebGL-Raytracing-globale Beleuchtung das Potenzial, die Art und Weise, wie wir mit 3D-Inhalten im Web interagieren, zu revolutionieren.