WebGL Raytracing: Echtzeit-Raytracing mit WebGL Compute Shadern

Raytracing, eine Rendering-Technik, die für ihre fotorealistischen Bilder bekannt ist, war traditionell rechenintensiv und für Offline-Rendering-Prozesse reserviert. Fortschritte in der GPU-Technologie und die Einführung von Compute Shadern haben jedoch die Tür zum Echtzeit-Raytracing in WebGL geöffnet und bringen High-Fidelity-Grafiken in webbasierte Anwendungen. Dieser Artikel bietet eine umfassende Anleitung zur Implementierung von Echtzeit-Raytracing mit Compute Shadern in WebGL und richtet sich an ein globales Publikum von Entwicklern, die daran interessiert sind, die Grenzen der Webgrafik zu erweitern.

Was ist Raytracing?

Raytracing simuliert die Art und Weise, wie sich Licht in der realen Welt ausbreitet. Anstatt Polygone zu rastern, wirft Raytracing Strahlen von der Kamera (oder dem Auge) durch jedes Pixel auf dem Bildschirm in die Szene. Diese Strahlen schneiden Objekte, und basierend auf den Materialeigenschaften dieser Objekte wird die Farbe des Pixels bestimmt, indem berechnet wird, wie Licht von der Oberfläche abprallt und mit ihr interagiert. Dieser Prozess kann Reflexionen, Refraktionen und Schatten umfassen, was zu hochrealistischen Bildern führt.

Schlüsselkonzepte des Raytracings:

• Ray Casting: Der Prozess, bei dem Strahlen von der Kamera in die Szene geschossen werden.
• Schnittpunkttests: Bestimmen, wo ein Strahl Objekte in der Szene schneidet.
• Oberflächennormalen: Vektoren, die senkrecht zur Oberfläche am Schnittpunkt stehen und zur Berechnung von Reflexion und Refraktion verwendet werden.
• Materialeigenschaften: Definieren, wie eine Oberfläche mit Licht interagiert (z. B. Farbe, Reflexionsvermögen, Rauheit).
• Schattenstrahlen: Strahlen, die vom Schnittpunkt zu Lichtquellen geworfen werden, um festzustellen, ob der Punkt im Schatten liegt.
• Reflexions- und Refraktionsstrahlen: Strahlen, die vom Schnittpunkt geworfen werden, um Reflexionen und Refraktionen zu simulieren.

Warum WebGL und Compute Shader?

WebGL bietet eine plattformübergreifende API zum Rendern von 2D- und 3D-Grafiken in einem Webbrowser ohne die Verwendung von Plug-ins. Compute Shader, die mit WebGL 2.0 eingeführt wurden, ermöglichen allgemeine Berechnungen auf der GPU. Dies erlaubt uns, die parallele Verarbeitungsleistung der GPU zu nutzen, um Raytracing-Berechnungen effizient durchzuführen.

Vorteile der Verwendung von WebGL für Raytracing:

• Plattformübergreifende Kompatibilität: WebGL funktioniert in jedem modernen Webbrowser, unabhängig vom Betriebssystem.
• Hardware-Beschleunigung: Nutzt die GPU für schnelles Rendering.
• Keine Plugins erforderlich: Macht die Installation zusätzlicher Software durch den Benutzer überflüssig.
• Zugänglichkeit: Macht Raytracing über das Web einem breiteren Publikum zugänglich.

Vorteile der Verwendung von Compute Shadern:

• Parallele Verarbeitung: Nutzt die massiv parallele Architektur von GPUs für effiziente Raytracing-Berechnungen.
• Flexibilität: Ermöglicht benutzerdefinierte Algorithmen und auf Raytracing zugeschnittene Optimierungen.
• Direkter GPU-Zugriff: Umgeht die traditionelle Rendering-Pipeline für mehr Kontrolle.

Implementierungsübersicht

Die Implementierung von Raytracing in WebGL mit Compute Shadern umfasst mehrere Schlüsselschritte:

1. Einrichten des WebGL-Kontexts: Erstellen eines WebGL-Kontexts und Aktivieren der notwendigen Erweiterungen (WebGL 2.0 ist erforderlich).
2. Erstellen von Compute Shadern: Schreiben von GLSL-Code für den Compute Shader, der die Raytracing-Berechnungen durchführt.
3. Erstellen von Shader Storage Buffer Objects (SSBOs): Zuweisen von Speicher auf der GPU zum Speichern von Szenendaten, Strahldaten und dem endgültigen Bild.
4. Ausführen des Compute Shaders: Starten des Compute Shaders zur Verarbeitung der Daten.
5. Auslesen der Ergebnisse: Abrufen des gerenderten Bildes aus dem SSBO und Anzeigen auf dem Bildschirm.

Detaillierte Implementierungsschritte

1. Einrichten des WebGL-Kontexts

Der erste Schritt ist die Erstellung eines WebGL 2.0-Kontexts. Dies beinhaltet das Abrufen eines Canvas-Elements aus dem HTML und das Anfordern eines WebGL2RenderingContext. Die Fehlerbehandlung ist entscheidend, um sicherzustellen, dass der Kontext erfolgreich erstellt wird.

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

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

              
                Copy
              
            
          

2. Erstellen von Compute Shadern

Das Herzstück des Raytracers ist der in GLSL geschriebene Compute Shader. Dieser Shader ist für das Werfen von Strahlen, die Durchführung von Schnittpunkttests und die Berechnung der Farbe jedes Pixels verantwortlich. Der Compute Shader arbeitet auf einem Gitter von Arbeitsgruppen, von denen jede einen kleinen Bereich des Bildes verarbeitet.

Hier ist ein vereinfachtes Beispiel eines Compute Shaders, der eine Grundfarbe basierend auf den Pixelkoordinaten berechnet:

            #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
              
            
          

Dieser Shader definiert eine Arbeitsgruppengröße von 8x8, einen Ausgabepuffer namens `pixels` und eine Uniform-Variable für die Bildschirmauflösung. Jedes Arbeitselement (Pixel) berechnet seine Farbe basierend auf seiner Position und schreibt sie in den Ausgabepuffer.

3. Erstellen von Shader Storage Buffer Objects (SSBOs)

SSBOs werden verwendet, um Daten zu speichern, die zwischen der CPU und der GPU geteilt werden. In diesem Fall verwenden wir SSBOs, um die Szenendaten (z. B. Dreiecks-Eckpunkte, Materialeigenschaften), Strahldaten und das endgültig gerenderte Bild zu speichern. Erstellen Sie den SSBO, binden Sie ihn an einen Bindungspunkt und füllen Sie ihn mit Anfangsdaten.

            // 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. Ausführen des Compute Shaders

Um den Compute Shader auszuführen, müssen wir ihn starten. Dies beinhaltet die Angabe der Anzahl der in jeder Dimension zu startenden Arbeitsgruppen. Die Anzahl der Arbeitsgruppen wird bestimmt, indem die Gesamtzahl der Pixel durch die im Shader definierte Arbeitsgruppengröße geteilt wird.

            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` startet den Compute Shader. `gl.memoryBarrier` stellt sicher, dass die GPU das Schreiben in den SSBO abgeschlossen hat, bevor die CPU versucht, daraus zu lesen.

5. Auslesen der Ergebnisse

Nachdem der Compute Shader die Ausführung beendet hat, müssen wir das gerenderte Bild aus dem SSBO zurück zur CPU lesen. Dies beinhaltet das Erstellen eines Puffers auf der CPU und die Verwendung von `gl.getBufferSubData`, um die Daten vom SSBO in den CPU-Puffer zu kopieren. Schließlich erstellen Sie ein Bildelement unter Verwendung der Daten.

            // 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
              
            
          

Szenenrepräsentation und Beschleunigungsstrukturen

Ein entscheidender Aspekt des Raytracings ist das effiziente Finden der Schnittpunkte zwischen Strahlen und Objekten in der Szene. Brute-Force-Schnittpunkttests, bei denen jeder Strahl gegen jedes Objekt getestet wird, sind rechenintensiv. Um die Leistung zu verbessern, werden Beschleunigungsstrukturen verwendet, um die Szenendaten zu organisieren und Objekte schnell zu verwerfen, die wahrscheinlich nicht von einem gegebenen Strahl geschnitten werden.

Gängige Beschleunigungsstrukturen:

• Bounding Volume Hierarchy (BVH): Eine hierarchische Baumstruktur, bei der jeder Knoten ein Bounding Volume darstellt, das eine Reihe von Objekten umschließt. Dies ermöglicht es, große Teile der Szene schnell zu verwerfen.
• Kd-Baum: Eine raumteilende Datenstruktur, die die Szene rekursiv in kleinere Bereiche unterteilt.
• Spatial Hashing: Teilt die Szene in ein Gitter von Zellen und speichert Objekte in den Zellen, die sie schneiden.

Für WebGL-Raytracing sind BVHs aufgrund ihrer relativ einfachen Implementierung und guten Leistung oft die bevorzugte Wahl. Die Implementierung einer BVH umfasst die folgenden Schritte:

1. Bounding-Box-Berechnung: Berechnen Sie die Bounding Box für jedes Objekt in der Szene (z. B. Dreiecke).
2. Baumkonstruktion: Teilen Sie die Szene rekursiv in kleinere Bounding Boxes, bis jeder Blattknoten eine kleine Anzahl von Objekten enthält. Gängige Aufteilungskriterien sind der Mittelpunkt der längsten Achse oder die Surface Area Heuristic (SAH).
3. Durchlauf (Traversal): Durchlaufen Sie die BVH während des Raytracings, beginnend am Wurzelknoten. Wenn der Strahl die Bounding Box eines Knotens schneidet, durchlaufen Sie rekursiv dessen Kinder. Wenn der Strahl einen Blattknoten schneidet, führen Sie Schnittpunkttests mit den in diesem Knoten enthaltenen Objekten durch.

Beispiel einer BVH-Struktur in GLSL (vereinfacht):

            struct BVHNode {
  vec3 min;
  vec3 max;
  int leftChild;
  int rightChild;
  int triangleOffset; // Index des ersten Dreiecks in diesem Knoten
  int triangleCount;  // Anzahl der Dreiecke in diesem Knoten
};

            

              
                Copy
              
            
          

Strahl-Dreieck-Schnittpunkt

Der grundlegendste Schnittpunkttest beim Raytracing ist der Strahl-Dreieck-Schnittpunkt. Es gibt zahlreiche Algorithmen zur Durchführung dieses Tests, einschließlich des Möller-Trumbore-Algorithmus, der aufgrund seiner Effizienz und Einfachheit weit verbreitet ist.

Möller-Trumbore-Algorithmus:

Der Möller-Trumbore-Algorithmus berechnet den Schnittpunkt eines Strahls mit einem Dreieck durch Lösen eines linearen Gleichungssystems. Er beinhaltet die Berechnung baryzentrischer Koordinaten, die die Position des Schnittpunkts innerhalb des Dreiecks bestimmen. Wenn die baryzentrischen Koordinaten im Bereich [0, 1] liegen und ihre Summe kleiner oder gleich 1 ist, schneidet der Strahl das Dreieck.

Beispielhafter GLSL-Code:

            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;    // Strahl ist parallel zum Dreieck

  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;

  // An diesem Punkt können wir t berechnen, um herauszufinden, wo der Schnittpunkt auf der Linie liegt.
  t = f * dot(edge2, q);

  if (t > 0.0001) // Strahlenschnittpunkt
  {
    return true;
  }
  else // Das bedeutet, es gibt einen Linienschnittpunkt, aber keinen Strahlenschnittpunkt.
    return false;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Schattierung und Beleuchtung

Sobald der Schnittpunkt gefunden ist, besteht der nächste Schritt darin, die Farbe des Pixels zu berechnen. Dies beinhaltet die Bestimmung, wie Licht mit der Oberfläche am Schnittpunkt interagiert. Gängige Schattierungsmodelle sind:

• Phong-Schattierung: Ein einfaches Schattierungsmodell, das die diffusen und spiegelnden Komponenten des Lichts berechnet.
• Blinn-Phong-Schattierung: Eine Verbesserung gegenüber der Phong-Schattierung, die einen Halbwinkel-Vektor zur Berechnung der spiegelnden Komponente verwendet.
• Physically Based Rendering (PBR): Ein realistischeres Schattierungsmodell, das die physikalischen Eigenschaften von Materialien berücksichtigt.

Raytracing ermöglicht fortschrittlichere Beleuchtungseffekte als die Rasterisierung, wie z. B. globale Beleuchtung, Reflexionen und Refraktionen. Diese Effekte können durch das Werfen zusätzlicher Strahlen vom Schnittpunkt aus implementiert werden.

Beispiel: Berechnung der diffusen Beleuchtung

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

            

              
                Copy
              
            
          

Leistungsüberlegungen und Optimierungen

Raytracing ist rechenintensiv, und das Erreichen von Echtzeitleistung in WebGL erfordert sorgfältige Optimierung. Hier sind einige Schlüsseltechniken:

• Beschleunigungsstrukturen: Wie bereits erwähnt, ist die Verwendung von Beschleunigungsstrukturen wie BVHs entscheidend, um die Anzahl der Schnittpunkttests zu reduzieren.
• Frühe Strahlenbeendigung: Beenden Sie Strahlen frühzeitig, wenn sie nicht wesentlich zum endgültigen Bild beitragen. Zum Beispiel können Schattenstrahlen beendet werden, sobald sie auf ein Objekt treffen.
• Adaptives Sampling: Verwenden Sie eine variable Anzahl von Samples pro Pixel, abhängig von der Komplexität der Szene. Bereiche mit hoher Detailgenauigkeit oder komplexer Beleuchtung können mit mehr Samples gerendert werden.
• Denoising (Entrauschen): Verwenden Sie Denoising-Algorithmen, um das Rauschen im gerenderten Bild zu reduzieren, was weniger Samples pro Pixel ermöglicht.
• Compute-Shader-Optimierungen: Optimieren Sie den Compute-Shader-Code, indem Sie Speicherzugriffe minimieren, Vektoroperationen verwenden und Verzweigungen vermeiden.
• Anpassung der Arbeitsgruppengröße: Experimentieren Sie mit verschiedenen Arbeitsgruppengrößen, um die optimale Konfiguration für die Ziel-GPU zu finden.
• Nutzung von Hardware-Raytracing (falls verfügbar): Einige GPUs bieten mittlerweile dedizierte Hardware für Raytracing. Suchen und nutzen Sie Erweiterungen, die diese Funktionalität in WebGL bereitstellen.

Globale Beispiele und Anwendungen

Raytracing in WebGL hat zahlreiche potenzielle Anwendungen in verschiedenen Branchen weltweit:

• Spiele: Verbessern Sie die visuelle Qualität von webbasierten Spielen mit realistischer Beleuchtung, Reflexionen und Schatten.
• Produktvisualisierung: Erstellen Sie interaktive 3D-Modelle von Produkten mit fotorealistischem Rendering für E-Commerce und Marketing. Beispielsweise könnte ein Möbelunternehmen in Schweden Kunden ermöglichen, Möbel in ihren Häusern mit präziser Beleuchtung und Reflexionen zu visualisieren.
• Architekturvisualisierung: Visualisieren Sie architektonische Entwürfe mit realistischer Beleuchtung und Materialien. Ein Architekturbüro in Dubai könnte Raytracing verwenden, um Gebäudeentwürfe mit genauen Sonnenlicht- und Schattensimulationen zu präsentieren.
• Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR): Verbessern Sie den Realismus von VR- und AR-Erlebnissen durch die Einbindung von Raytracing-Effekten. Zum Beispiel könnte ein Museum in London eine VR-Tour mit durch Raytracing verbesserten visuellen Details anbieten.
• Wissenschaftliche Visualisierung: Visualisieren Sie komplexe wissenschaftliche Daten mit realistischen Rendering-Techniken. Ein Forschungslabor in Japan könnte Raytracing verwenden, um molekulare Strukturen mit genauer Beleuchtung und Schatten zu visualisieren.
• Bildung: Entwickeln Sie interaktive Lehrmittel, die die Prinzipien der Optik und des Lichttransports demonstrieren.

Herausforderungen und zukünftige Richtungen

Obwohl Echtzeit-Raytracing in WebGL immer machbarer wird, bleiben mehrere Herausforderungen bestehen:

• Leistung: Das Erreichen hoher Bildraten bei komplexen Szenen ist immer noch eine Herausforderung.
• Komplexität: Die Implementierung eines vollwertigen Raytracers erfordert erheblichen Programmieraufwand.
• Hardware-Unterstützung: Nicht alle GPUs unterstützen die notwendigen Erweiterungen für Compute Shader oder Hardware-Raytracing.

Zukünftige Richtungen für WebGL-Raytracing umfassen:

• Verbesserte Hardware-Unterstützung: Da immer mehr GPUs dedizierte Raytracing-Hardware integrieren, wird sich die Leistung erheblich verbessern.
• Standardisierte APIs: Die Entwicklung standardisierter APIs für Hardware-Raytracing in WebGL wird den Implementierungsprozess vereinfachen.
• Fortschrittliche Denoising-Techniken: Ausgefeiltere Denoising-Algorithmen ermöglichen qualitativ hochwertigere Bilder mit weniger Samples.
• Integration mit WebAssembly (Wasm): Die Verwendung von WebAssembly zur Implementierung rechenintensiver Teile des Raytracers könnte die Leistung verbessern.

Fazit

Echtzeit-Raytracing in WebGL mit Compute Shadern ist ein sich schnell entwickelndes Feld mit dem Potenzial, die Webgrafik zu revolutionieren. Durch das Verständnis der Grundlagen des Raytracings, die Nutzung der Leistung von Compute Shadern und den Einsatz von Optimierungstechniken können Entwickler atemberaubende visuelle Erlebnisse schaffen, die einst in einem Webbrowser als unmöglich galten. Da sich Hardware und Software weiter verbessern, können wir in den kommenden Jahren noch beeindruckendere Anwendungen von Raytracing im Web erwarten, die einem globalen Publikum von jedem Gerät mit einem modernen Browser zugänglich sind.

Dieser Leitfaden hat einen umfassenden Überblick über die Konzepte und Techniken gegeben, die bei der Implementierung von Echtzeit-Raytracing in WebGL eine Rolle spielen. Wir ermutigen Entwickler weltweit, mit diesen Techniken zu experimentieren und zur Weiterentwicklung der Webgrafik beizutragen.