Ray Tracing en WebGL: Trazado de Rayos en Tiempo Real con Compute Shaders de WebGL

El trazado de rayos (ray tracing), una técnica de renderizado reconocida por sus imágenes fotorrealistas, ha sido tradicionalmente computacionalmente intensivo y reservado para procesos de renderizado offline. Sin embargo, los avances en la tecnología de GPU y la introducción de los compute shaders han abierto la puerta al trazado de rayos en tiempo real dentro de WebGL, llevando gráficos de alta fidelidad a las aplicaciones basadas en la web. Este artículo proporciona una guía completa para implementar el trazado de rayos en tiempo real utilizando compute shaders en WebGL, dirigido a una audiencia global de desarrolladores interesados en superar los límites de los gráficos web.

¿Qué es el Trazado de Rayos?

El trazado de rayos simula la forma en que la luz viaja en el mundo real. En lugar de rasterizar polígonos, el trazado de rayos emite rayos desde la cámara (u ojo) a través de cada píxel en la pantalla hacia la escena. Estos rayos se intersectan con objetos y, basándose en las propiedades del material de esos objetos, el color del píxel se determina calculando cómo la luz rebota e interactúa con la superficie. Este proceso puede incluir reflejos, refracciones y sombras, lo que resulta en imágenes altamente realistas.

Conceptos Clave en el Trazado de Rayos:

• Lanzamiento de Rayos (Ray Casting): El proceso de lanzar rayos desde la cámara hacia la escena.
• Pruebas de Intersección: Determinar dónde un rayo se intersecta con objetos en la escena.
• Normales de Superficie: Vectores perpendiculares a la superficie en el punto de intersección, utilizados para calcular la reflexión y la refracción.
• Propiedades del Material: Definen cómo una superficie interactúa con la luz (p. ej., color, reflectividad, rugosidad).
• Rayos de Sombra: Rayos lanzados desde el punto de intersección hacia las fuentes de luz para determinar si el punto está en sombra.
• Rayos de Reflexión y Refracción: Rayos lanzados desde el punto de intersección para simular reflejos y refracciones.

¿Por qué WebGL y Compute Shaders?

WebGL proporciona una API multiplataforma para renderizar gráficos 2D y 3D en un navegador web sin el uso de plug-ins. Los compute shaders, introducidos con WebGL 2.0, permiten la computación de propósito general en la GPU. Esto nos permite aprovechar la potencia de procesamiento paralelo de la GPU para realizar los cálculos del trazado de rayos de manera eficiente.

Ventajas de Usar WebGL para el Trazado de Rayos:

• Compatibilidad Multiplataforma: WebGL funciona en cualquier navegador web moderno, independientemente del sistema operativo.
• Aceleración por Hardware: Aprovecha la GPU para un renderizado rápido.
• No se Requieren Plugins: Elimina la necesidad de que los usuarios instalen software adicional.
• Accesibilidad: Hace que el trazado de rayos sea accesible para una audiencia más amplia a través de la web.

Ventajas de Usar Compute Shaders:

• Procesamiento Paralelo: Explota la arquitectura masivamente paralela de las GPUs para cálculos eficientes de trazado de rayos.
• Flexibilidad: Permite algoritmos personalizados y optimizaciones adaptadas al trazado de rayos.
• Acceso Directo a la GPU: Evita el pipeline de renderizado tradicional para un mayor control.

Resumen de la Implementación

Implementar el trazado de rayos en WebGL usando compute shaders implica varios pasos clave:

1. Configuración del Contexto WebGL: Crear un contexto WebGL y habilitar las extensiones necesarias (se requiere WebGL 2.0).
2. Creación de Compute Shaders: Escribir código GLSL para el compute shader que realiza los cálculos del trazado de rayos.
3. Creación de Shader Storage Buffer Objects (SSBOs): Asignar memoria en la GPU para almacenar los datos de la escena, los datos de los rayos y la imagen final.
4. Lanzamiento del Compute Shader: Iniciar el compute shader para procesar los datos.
5. Lectura de los Resultados: Recuperar la imagen renderizada del SSBO y mostrarla en la pantalla.

Pasos Detallados de la Implementación

1. Configuración del Contexto WebGL

El primer paso es crear un contexto WebGL 2.0. Esto implica obtener un elemento canvas del HTML y luego solicitar un WebGL2RenderingContext. El manejo de errores es crucial para asegurar que el contexto se cree correctamente.

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

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

              
                Copy
              
            
          

2. Creación de Compute Shaders

El núcleo del trazador de rayos es el compute shader, escrito en GLSL. Este shader será responsable de lanzar rayos, realizar pruebas de intersección y calcular el color de cada píxel. El compute shader operará en una cuadrícula de grupos de trabajo, cada uno procesando una pequeña región de la imagen.

Aquí hay un ejemplo simplificado de un compute shader que calcula un color básico basado en las coordenadas del píxel:

            #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
              
            
          

Este shader define un tamaño de grupo de trabajo de 8x8, un búfer de salida llamado `pixels` y una variable uniforme para la resolución de la pantalla. Cada elemento de trabajo (píxel) calcula su color basándose en su posición y lo escribe en el búfer de salida.

3. Creación de Shader Storage Buffer Objects (SSBOs)

Los SSBOs se utilizan para almacenar datos que se comparten entre la CPU y la GPU. En este caso, usaremos SSBOs para almacenar los datos de la escena (p. ej., vértices de triángulos, propiedades de materiales), datos de rayos y la imagen renderizada final. Cree el SSBO, vincúlelo a un punto de enlace y llénelo con datos iniciales.

            // Crear el 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);

// Vincular el SSBO al punto de enlace 0
gl.bindBufferBase(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, 0, outputBuffer);

            

              
                Copy
              
            
          

4. Lanzamiento del Compute Shader

Para ejecutar el compute shader, necesitamos lanzarlo. Esto implica especificar el número de grupos de trabajo a lanzar en cada dimensión. El número de grupos de trabajo se determina dividiendo el número total de píxeles por el tamaño del grupo de trabajo definido en el shader.

            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` lanza el compute shader. `gl.memoryBarrier` asegura que la GPU haya terminado de escribir en el SSBO antes de que la CPU intente leerlo.

5. Lectura de los Resultados

Después de que el compute shader haya terminado de ejecutarse, necesitamos leer la imagen renderizada del SSBO de vuelta a la CPU. Esto implica crear un búfer en la CPU y luego usar `gl.getBufferSubData` para copiar los datos del SSBO al búfer de la CPU. Finalmente, cree un elemento de imagen usando los datos.

            // Crear un búfer en la CPU para contener los datos de la imagen
const imageData = new Float32Array(imageWidth * imageHeight * 4);

// Vincular el SSBO para la lectura
gl.bindBuffer(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, outputBuffer);
gl.getBufferSubData(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, 0, imageData);

// Crear un elemento de imagen a partir de los datos (ejemplo usando una biblioteca como 'OffscreenCanvas')
// Mostrar la imagen en la pantalla

            

              
                Copy
              
            
          

Representación de la Escena y Estructuras de Aceleración

Un aspecto crucial del trazado de rayos es encontrar eficientemente los puntos de intersección entre los rayos y los objetos en la escena. Las pruebas de intersección de fuerza bruta, donde cada rayo se prueba contra cada objeto, son computacionalmente costosas. Para mejorar el rendimiento, se utilizan estructuras de aceleración para organizar los datos de la escena y descartar rápidamente los objetos que es poco probable que se intersecten con un rayo dado.

Estructuras de Aceleración Comunes:

• Jerarquía de Volúmenes Envolventes (BVH): Una estructura de árbol jerárquica donde cada nodo representa un volumen envolvente que encierra un conjunto de objetos. Esto permite rechazar rápidamente grandes porciones de la escena.
• Árbol Kd (Kd-Tree): Una estructura de datos de particionamiento espacial que divide recursivamente la escena en regiones más pequeñas.
• Hashing Espacial: Divide la escena en una cuadrícula de celdas y almacena los objetos en las celdas que intersectan.

Para el trazado de rayos en WebGL, los BVH suelen ser la opción preferida debido a su relativa facilidad de implementación y buen rendimiento. Implementar un BVH implica los siguientes pasos:

1. Cálculo de la Caja Envolvente: Calcular la caja envolvente (bounding box) para cada objeto en la escena (p. ej., triángulos).
2. Construcción del Árbol: Dividir recursivamente la escena en cajas envolventes más pequeñas hasta que cada nodo hoja contenga un pequeño número de objetos. Los criterios de división comunes incluyen el punto medio del eje más largo o la heurística de área de superficie (SAH).
3. Recorrido: Recorrer el BVH durante el trazado de rayos, comenzando desde el nodo raíz. Si el rayo se intersecta con la caja envolvente de un nodo, recorrer recursivamente a sus hijos. Si el rayo se intersecta con un nodo hoja, realizar pruebas de intersección contra los objetos contenidos en ese nodo.

Ejemplo de estructura BVH en GLSL (simplificado):

            struct BVHNode {
  vec3 min;
  vec3 max;
  int leftChild;
  int rightChild;
  int triangleOffset; // Índice del primer triángulo en este nodo
  int triangleCount;  // Número de triángulos en este nodo
};

            

              
                Copy
              
            
          

Intersección Rayo-Triángulo

La prueba de intersección más fundamental en el trazado de rayos es la intersección rayo-triángulo. Existen numerosos algoritmos para realizar esta prueba, incluido el algoritmo de Möller-Trumbore, que es ampliamente utilizado por su eficiencia y simplicidad.

Algoritmo de Möller-Trumbore:

El algoritmo de Möller-Trumbore calcula el punto de intersección de un rayo con un triángulo resolviendo un sistema de ecuaciones lineales. Implica calcular coordenadas baricéntricas, que determinan la posición del punto de intersección dentro del triángulo. Si las coordenadas baricéntricas están dentro del rango [0, 1] y su suma es menor o igual a 1, el rayo intersecta el triángulo.

Ejemplo de código GLSL:

            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;    // El rayo es paralelo al triángulo

  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;

  // En este punto podemos calcular t para saber dónde está el punto de intersección en la línea.
  t = f * dot(edge2, q);

  if (t > 0.0001) // intersección del rayo
  {
    return true;
  }
  else // Esto significa que hay una intersección de línea pero no una intersección de rayo.
    return false;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Sombreado e Iluminación

Una vez que se encuentra el punto de intersección, el siguiente paso es calcular el color del píxel. Esto implica determinar cómo la luz interactúa con la superficie en el punto de intersección. Los modelos de sombreado comunes incluyen:

• Sombreado de Phong: Un modelo de sombreado simple que calcula los componentes difusos y especulares de la luz.
• Sombreado de Blinn-Phong: Una mejora sobre el sombreado de Phong que utiliza un vector intermedio para calcular el componente especular.
• Renderizado Basado en Físicas (PBR): Un modelo de sombreado más realista que tiene en cuenta las propiedades físicas de los materiales.

El trazado de rayos permite efectos de iluminación más avanzados que la rasterización, como la iluminación global, los reflejos y las refracciones. Estos efectos se pueden implementar lanzando rayos adicionales desde el punto de intersección.

Ejemplo: Cálculo de Iluminación Difusa

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

            

              
                Copy
              
            
          

Consideraciones de Rendimiento y Optimizaciones

El trazado de rayos es computacionalmente intensivo, y lograr un rendimiento en tiempo real en WebGL requiere una optimización cuidadosa. Aquí hay algunas técnicas clave:

• Estructuras de Aceleración: Como se mencionó anteriormente, el uso de estructuras de aceleración como los BVH es crucial para reducir el número de pruebas de intersección.
• Terminación Temprana de Rayos: Terminar los rayos temprano si no contribuyen significativamente a la imagen final. Por ejemplo, los rayos de sombra pueden terminarse tan pronto como golpean un objeto.
• Muestreo Adaptativo: Usar un número variable de muestras por píxel, dependiendo de la complejidad de la escena. Las regiones con alto detalle o iluminación compleja se pueden renderizar con más muestras.
• Eliminación de Ruido (Denoising): Usar algoritmos de eliminación de ruido para reducir el ruido en la imagen renderizada, lo que permite menos muestras por píxel.
• Optimizaciones del Compute Shader: Optimizar el código del compute shader minimizando los accesos a memoria, usando operaciones vectoriales y evitando bifurcaciones.
• Ajuste del Tamaño del Grupo de Trabajo: Experimentar con diferentes tamaños de grupos de trabajo para encontrar la configuración óptima para la GPU de destino.
• Uso de Trazado de Rayos por Hardware (si está disponible): Algunas GPUs ahora ofrecen hardware dedicado para el trazado de rayos. Verifique y utilice las extensiones que exponen esta funcionalidad en WebGL.

Ejemplos y Aplicaciones Globales

El trazado de rayos en WebGL tiene numerosas aplicaciones potenciales en diversas industrias a nivel mundial:

• Videojuegos: Mejorar la fidelidad visual de los juegos basados en web con iluminación, reflejos y sombras realistas.
• Visualización de Productos: Crear modelos 3D interactivos de productos con renderizado fotorrealista para comercio electrónico y marketing. Por ejemplo, una empresa de muebles en Suecia podría permitir a los clientes visualizar muebles en sus hogares con iluminación y reflejos precisos.
• Visualización Arquitectónica: Visualizar diseños arquitectónicos con iluminación y materiales realistas. Un estudio de arquitectura en Dubái podría usar el trazado de rayos para mostrar diseños de edificios con simulaciones precisas de luz solar y sombras.
• Realidad Virtual (VR) y Realidad Aumentada (AR): Mejorar el realismo de las experiencias de VR y AR incorporando efectos de trazado de rayos. Por ejemplo, un museo en Londres podría ofrecer un recorrido de VR con detalles visuales mejorados a través del trazado de rayos.
• Visualización Científica: Visualizar datos científicos complejos con técnicas de renderizado realistas. Un laboratorio de investigación en Japón podría usar el trazado de rayos para visualizar estructuras moleculares con iluminación y sombras precisas.
• Educación: Desarrollar herramientas educativas interactivas que demuestren los principios de la óptica y el transporte de la luz.

Desafíos y Direcciones Futuras

Aunque el trazado de rayos en tiempo real en WebGL es cada vez más factible, persisten varios desafíos:

• Rendimiento: Lograr altas tasas de fotogramas con escenas complejas sigue siendo un desafío.
• Complejidad: Implementar un trazador de rayos completo requiere un esfuerzo de programación significativo.
• Soporte de Hardware: No todas las GPUs admiten las extensiones necesarias para los compute shaders o el trazado de rayos por hardware.

Las direcciones futuras para el trazado de rayos en WebGL incluyen:

• Soporte de Hardware Mejorado: A medida que más GPUs incorporen hardware dedicado para el trazado de rayos, el rendimiento mejorará significativamente.
• APIs Estandarizadas: El desarrollo de APIs estandarizadas para el trazado de rayos por hardware en WebGL simplificará el proceso de implementación.
• Técnicas Avanzadas de Eliminación de Ruido: Algoritmos de eliminación de ruido más sofisticados permitirán imágenes de mayor calidad con menos muestras.
• Integración con WebAssembly (Wasm): Usar WebAssembly para implementar partes computacionalmente intensivas del trazador de rayos podría mejorar el rendimiento.

Conclusión

El trazado de rayos en tiempo real en WebGL usando compute shaders es un campo en rápida evolución con el potencial de revolucionar los gráficos web. Al comprender los fundamentos del trazado de rayos, aprovechar el poder de los compute shaders y emplear técnicas de optimización, los desarrolladores pueden crear experiencias visuales impresionantes que antes se consideraban imposibles en un navegador web. A medida que el hardware y el software continúan mejorando, podemos esperar ver aplicaciones aún más impresionantes del trazado de rayos en la web en los próximos años, accesibles para una audiencia global desde cualquier dispositivo con un navegador moderno.

Esta guía ha proporcionado una descripción completa de los conceptos y técnicas involucrados en la implementación del trazado de rayos en tiempo real en WebGL. Animamos a los desarrolladores de todo el mundo a experimentar con estas técnicas y contribuir al avance de los gráficos web.