WebGL-i kiirtejälituse konveieri avalikustamine: RT konveieri konfiguratsioon

Kiirtejälitus, mis kunagi oli tipptasemel arvutigraafika valdkond, areneb kiiresti. WebGL-i ja selle laienduste tulekuga on nüüd võimalik kiirtejälituse võimsus tuua veebi. See artikkel süveneb WebGL-i kiirtejälituse põnevasse maailma, keskendudes konkreetselt üliolulisele aspektile: RT (Ray Tracing) konveieri konfiguratsioonile. Uurime selle komponente, praktilisi rakendusi ja optimeerimistehnikaid, et aidata teil luua vapustavaid, reaalajas kiirtejälitusega kogemusi otse oma veebibrauseris. See juhend on mõeldud ülemaailmsele publikule, pakkudes terviklikku ülevaadet, mis on kättesaadav erineva kogemustasemega arendajatele, alates algajatest kuni kogenud graafikaprogrammeerijateni.

Kiirtejälituse konveieri mõistmine: alused

Enne RT konveieri konfiguratsiooni süvenemist on oluline mõista kiirtejälituse põhiprintsiipe. Erinevalt rasterdamisest, mis muudab 3D-mudelid 2D-kujutisteks kolmnurkade seeria kaudu, simuleerib kiirtejälitus valguse teekondi. See jälitab kiiri kaamerast läbi iga piksli, määrates, kus need kiired stseeni objektidega ristuvad. Iga piksli värv arvutatakse seejärel valgusallikate ja ristuvate objektide materjaliomaduste põhjal. See protsess võimaldab realistlikumat valgustust, varje, peegeldusi ja murdumisi, mis viib visuaalselt vapustavate tulemusteni.

Kiirtejälituse põhiprotsess hõlmab järgmisi samme:

• Kiirte genereerimine: Igale pikslile heidetakse kaamerast kiired.
• Ristumise testimine: Iga kiirt testitakse kõigi stseeni objektide suhtes, et leida lähim ristumiskoht.
• Varjutamine: Piksli värv arvutatakse ristumispunkti, valgusallikate ja materjaliomaduste põhjal. See hõlmab ristumispunkti jõudva valguse arvutamist.
• Kiire peegeldumine/murdumine (valikuline): Sõltuvalt materjali omadustest saab peegelduste või murdumiste jaoks heita sekundaarseid kiiri, lisades realismi. See loob rekursiivse protsessi, mis võib jätkuda mitmel tasandil.

RT konveieri konfiguratsioon WebGL-is: komponendid ja kaalutlused

RT konveieri konfiguratsioon on plaan, kuidas kiirtejälituse arvutused WebGL-i keskkonnas läbi viiakse. See dikteerib erinevad parameetrid, varjutajad ja ressursid, mida kasutatakse lõpliku renderdatud pildi saavutamiseks. See konfiguratsiooniprotsess ei ole WebGL-is nii selgesõnaline kui spetsiaalsetes kiirtejälituse API-des, kuid see on põimitud sellesse, kuidas me konstrueerime stseeni andmeid ja kirjutame varjutajaid, mis simuleerivad kiirtejälituse protsessi. Kiirtejälitussüsteemi ehitamisel on olulised kaalutlused stseeni esitus, varjutajate disain ja andmehaldus.

1. Stseeni esitus ja andmestruktuurid

Üks peamisi väljakutseid WebGL-i kiirtejälituses on stseeni tõhus esitamine. Kuna WebGL ei olnud algselt mõeldud kiirtejälituseks, kasutatakse sageli spetsialiseeritud andmestruktuure ja tehnikaid. Populaarsed valikud hõlmavad:

• Kolmnurkvõrgud: Need on 3D-objektide esitamise kõige levinum vorm. Kuid kiirtejälitus nõuab tõhusat ristumise testimist, mis on viinud kiirendatud andmestruktuuride, näiteks piirdekehade hierarhiate (BVH) väljatöötamiseni.
• Piirdekehade hierarhiad (BVH-d): BVH-d organiseerivad kolmnurgad puulaadsesse struktuuri, võimaldades kiiresti tagasi lükata kolmnurgad, mis kiirega ei ristu. See kiirendab oluliselt ristumisteste, uurides ainult potentsiaalseid ristumisi.
• Kiirendusstruktuurid: Teised kiirendusstruktuurid hõlmavad võrke ja oktapuid, kuid BVH-d on levinud nende suhtelise rakendamise lihtsuse ja hea jõudluse tõttu erinevates stseenides. Nende struktuuride ehitamine võib hõlmata eeltöötlusetappe, mis tehakse CPU-l ja seejärel kantakse GPU-le varjutajates kasutamiseks.
• Stseenigraaf: Kuigi see pole kohustuslik, võib stseeni organiseerimine hierarhilisse stseenigraafi aidata tõhusalt hallata objektide teisendusi, valgustust ja materjaliomadusi. See aitab määratleda objekti suhet teistega stseenis.

Näide: Kujutage ette stseeni, mis sisaldab mitut 3D-mudelit. Kiirtejälituse tõhusaks teostamiseks tuleb iga mudeli kolmnurgad organiseerida BVH-sse. RT konveieri ajal läbib varjutaja iga kiire jaoks BVH, et kiiresti elimineerida kolmnurgad, millega kiir ei ristu. Mudelite andmed, sealhulgas BVH struktuur, kolmnurkade tipud, normaalid ja materjaliomadused, laaditakse WebGL-i puhvritesse.

2. Varjutaja disain: RT konveieri süda

Varjutajad on RT konveieri konfiguratsiooni tuum. WebGL kasutab kahte peamist varjutaja tüüpi: tipuvarjutajad ja fragmendivarjutajad. Kiirtejälituse jaoks teostab aga kõik kriitilised arvutused fragmendivarjutaja (mida nimetatakse ka pikslivarjutajaks). Arvutusvarjutajate laiendustega (nagu EXT_shader_texture_lod laiendus) saab kiirtejälitust teostada ka paralleelsemalt, kus kiiri jälgitakse arvutusvarjutajate lõimede abil.

Varjutajate peamised funktsioonid hõlmavad:

• Kiirte genereerimine: Fragmendivarjutaja loob esialgsed kiired, mis tavaliselt lähtuvad kaamerast ja on suunatud läbi iga piksli. See nõuab teadmisi kaamera asukoha, orientatsiooni ja ekraani eraldusvõime kohta.
• Ristumise testimine: See hõlmab genereeritud kiirte testimist stseeni geomeetria suhtes, kasutades valitud stseeni esitusele sobivaid algoritme. See tähendab sageli BVH-de läbimist fragmendivarjutajas, teostades ristumisteste kolmnurkade suhtes.
• Varjutamise arvutused: Kui ristumiskoht on leitud, arvutab varjutaja piksli värvi. See hõlmab:
• Pinna normaali arvutamine ristumispunktis.
• Valguse panuse määramine.
• Materjaliomaduste rakendamine (nt hajusvärv, peegeldus).
• Peegeldus/murdumine (valikuline): Siin saavutatakse keerulisem realism. Kui ristuv objekt on peegeldav või murduv, genereerib varjutaja sekundaarsed kiired, jälitab neid ja kombineerib tulemuseks saadud värvid. See protsess on sageli rekursiivne, võimaldades keerulisi valgusefekte.

Praktiline varjutaja näide (lihtsustatud fragmendivarjutaja):

            #version 300 es
precision highp float;

uniform vec3 u_cameraPosition;
uniform vec3 u_cameraForward;
uniform vec3 u_cameraUp;
uniform vec3 u_cameraRight;
uniform sampler2D u_sceneTriangles;
uniform sampler2D u_sceneBVH;

// Kiire struktuur
struct Ray {
    vec3 origin;
    vec3 direction;
};

// Lõikepunkti struktuur
struct Intersection {
    bool hit;
    float t;
    vec3 position;
    vec3 normal;
};

// Kiire/kolmnurga lõikepunkt (lihtsustatud - nõuab stseeni kolmnurga andmeid)
Intersection intersectTriangle(Ray ray, vec3 v0, vec3 v1, vec3 v2) {
    Intersection intersection;
    intersection.hit = false;
    intersection.t = 1e30;
    // ... (Lõikepunkti arvutused, lihtsustatud)
    return intersection;
}

// Fragmendivarjutaja peamine sisendpunkt
out vec4 fragColor;

void main() {
    // Arvuta ekraani koordinaadid kiire genereerimiseks.
    vec2 uv = gl_FragCoord.xy / vec2(u_resolution); //u_resolution sisaldab ekraani mõõtmeid
    uv = uv * 2.0 - 1.0;
    vec3 rayDirection = normalize(u_cameraForward + uv.x * u_cameraRight + uv.y * u_cameraUp);
    Ray ray;
    ray.origin = u_cameraPosition;
    ray.direction = rayDirection;

    Intersection closestIntersection;
    closestIntersection.hit = false;
    closestIntersection.t = 1e30;
    
    // Käi läbi kolmnurgad (lihtsustatud - tavaliselt kasutab BVH-d)
    for(int i = 0; i < numTriangles; ++i) {
       // Hangi kolmnurga andmed tekstuuripäringute abil (u_sceneTriangles)
       vec3 v0 = texture(u_sceneTriangles, ...).xyz;
       vec3 v1 = texture(u_sceneTriangles, ...).xyz;
       vec3 v2 = texture(u_sceneTriangles, ...).xyz;
       Intersection intersection = intersectTriangle(ray, v0, v1, v2);
       if (intersection.hit && intersection.t < closestIntersection.t) {
            closestIntersection = intersection;
       }
    }

    // Varjutamine (lihtsustatud)
    if (closestIntersection.hit) {
        fragColor = vec4(closestIntersection.normal * 0.5 + 0.5, 1.0);
    } else {
        fragColor = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    }
}

            

              
                Copy
              
            
          

Ülaltoodud näites näeme fragmendivarjutaja põhistruktuuri. Näide on oluliselt lihtsustatud. Tegelikud implementatsioonid nõuavad palju keerukamaid arvutusi, eriti ristumise testimise ja varjutamise etappides.

3. Ressursid ja andmehaldus

Ressursside ja andmete tõhus haldamine on jõudluse seisukohalt ülioluline. Kaaluge järgmist:

• WebGL-i puhvrid ja tekstuurid: Stseeni geomeetria, BVH-andmed, materjaliomadused ja valgustusteave salvestatakse sageli WebGL-i puhvritesse ja tekstuuridesse. Need tuleb hoolikalt organiseerida, et võimaldada kiiret juurdepääsu varjutajast.
• Uniformid: Uniform-muutujad edastavad andmeid JavaScripti koodist varjutajatele. See hõlmab kaamera parameetreid, valguse asukohti ja materjali seadeid. Uniform-plokkide kasutamine võib optimeerida paljude uniform-muutujate edastamist.
• Tekstuurisämplerid: Tekstuurisämplereid kasutatakse andmete, näiteks kolmnurga tipuandmete või materjaliomaduste, hankimiseks tekstuuridest. Optimaalse jõudluse tagamiseks on olulised õiged filtreerimis- ja adresseerimisrežiimid.
• Andmete üleslaadimine ja haldamine: Minimeerige igas kaadris GPU-le üleslaaditavate andmete hulka. Andmete eeltöötlemine ja nende tõhus üleslaadimine on elutähtis. Kaaluge instantsrenderdamise kasutamist, et joonistada sama mudeli mitu eksemplari erinevate teisendustega.

Optimeerimisnipp: Selle asemel, et edastada individuaalseid materjali parameetreid uniformidena, saate salvestada materjali andmed tekstuuri ja sämplida tekstuuri varjutajas. See on üldiselt kiirem kui paljude uniform-väärtuste edastamine ja kasutab vähem mälu.

RT konveieri rakendamine: samm-sammuline juhend

WebGL-i kiirtejälituse konveieri konfiguratsiooni rakendamine hõlmab mitut sammu. Siin on üldine ülevaade:

1. Seadistage WebGL-i kontekst: Initsialiseerige WebGL-i kontekst ja veenduge, et see on renderdamiseks õigesti seadistatud. Lubage sobivad laiendused, nagu OES_texture_float, EXT_color_buffer_float või muud WebGL-i laiendused sõltuvalt teie kiirtejälituse nõuetest ja sihtbrauseritest.
2. Valmistage ette stseeni andmed: Laadige või genereerige 3D-mudeleid ja kolmnurkade andmeid. Konstrueerige iga mudeli jaoks BVH, et kiirendada kiire-kolmnurga ristumisteste.
3. Looge WebGL-i puhvrid ja tekstuurid: Looge WebGL-i puhvrid ja tekstuurid tipuandmete, kolmnurga indeksite, BVH-andmete ja muu asjakohase teabe salvestamiseks. Näiteks saab kolmnurga andmeid salvestada tekstuuri ja neile varjutajas juurde pääseda tekstuuripäringute abil.
4. Kirjutage varjutajad: Kirjutage oma tipu- ja fragmendivarjutajad. Fragmendivarjutaja sisaldab kiirtejälituse põhilist loogikat, sealhulgas kiirte genereerimist, ristumise testimist ja varjutamise arvutusi. Tipuvarjutaja vastutab üldiselt tippude teisendamise eest.
5. Kompileerige ja linkige varjutajad: Kompileerige varjutajad ja linkige need WebGL-i programmiks.
6. Seadistage uniformid: Määratlege uniformid, et edastada kaamera parameetreid, valguse asukohti ja muid stseenispetsiifilisi andmeid varjutajatele. Siduge need uniformid, kasutades WebGL-i `gl.uniform...` funktsioone.
7. Renderdustsükkel: Looge renderdustsükkel, mis teeb iga kaadri jaoks järgmist:
• Puhastage kaadripuhver.
• Siduge WebGL-i programm.
• Siduge tipuandmed ja muud asjakohased puhvrid.
• Määrake uniformid.
• Joonistage täisekraani nelinurk fragmendivarjutaja käivitamiseks (või kasutage spetsiifilisemat joonistamiskutset).
8. Optimeerimine: Jälgige jõudlust ja optimeerige konveierit järgmiselt:
• Varjutajakoodi optimeerimine.
• Tõhusate andmestruktuuride (nt BVH-de) kasutamine.
• Varjutajakutsete arvu vähendamine.
• Andmete vahemällu salvestamine, kui võimalik.

Koodinäide (illustreeriv JavaScripti lõik):

            
// Initsialiseerimine
const canvas = document.getElementById('glCanvas');
const gl = canvas.getContext('webgl2', { antialias: false }); // Või 'webgl' vanemate brauserite jaoks
if (!gl) {
    alert('WebGL-i ei õnnestunud initsialiseerida. Teie brauser või riistvara ei pruugi seda toetada.');
}

// Varjutajate kompileerimine ja linkimine (lihtsustatud, nõuab tegelikku varjutaja lähtekoodi)
function createShader(gl, type, source) {
    const shader = gl.createShader(type);
    gl.shaderSource(shader, source);
    gl.compileShader(shader);
    if (!gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS)) {
        console.error('Varjutajate kompileerimisel ilmnes viga: ' + gl.getShaderInfoLog(shader));
        gl.deleteShader(shader);
        return null;
    }
    return shader;
}

function createProgram(gl, vertexShader, fragmentShader) {
    const program = gl.createProgram();
    gl.attachShader(program, vertexShader);
    gl.attachShader(program, fragmentShader);
    gl.linkProgram(program);
    if (!gl.getProgramParameter(program, gl.LINK_STATUS)) {
        console.error('Varjutajaprogrammi ei õnnestunud initsialiseerida: ' + gl.getProgramInfoLog(program));
        return null;
    }
    return program;
}

const vertexShaderSource = `
#version 300 es
// ... (Tipuvarjutaja kood)
`;
const fragmentShaderSource = `
#version 300 es
precision highp float;
// ... (Fragmendivarjutaja kood)
`;

const vertexShader = createShader(gl, gl.VERTEX_SHADER, vertexShaderSource);
const fragmentShader = createShader(gl, gl.FRAGMENT_SHADER, fragmentShaderSource);
const shaderProgram = createProgram(gl, vertexShader, fragmentShader);

// Stseeni andmete ettevalmistamine (lihtsustatud)
const triangleVertices = new Float32Array([
    0.0, 0.5, 0.0,   // v0
    -0.5, -0.5, 0.0,  // v1
    0.5, -0.5, 0.0   // v2
]);

// Loo ja seo tipupuhver (näide)
const vertexBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, triangleVertices, gl.STATIC_DRAW);

// Hangi tipuasukohtade atribuudi asukoht (näide)
const positionAttributeLocation = gl.getAttribLocation(shaderProgram, 'a_position');

// Määra atribuutide viidad (näide)
gl.enableVertexAttribArray(positionAttributeLocation);
gl.vertexAttribPointer(positionAttributeLocation, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);

// Määra uniformid (näide)
const cameraPositionLocation = gl.getUniformLocation(shaderProgram, 'u_cameraPosition');
gl.useProgram(shaderProgram);
gl.uniform3fv(cameraPositionLocation, [0, 0, 2]); // Näitlik kaamera asukoht

// Renderdustsükkel
function render(now) {
    // Määra vaateaken
    gl.viewport(0, 0, gl.canvas.width, gl.canvas.height);

    // Puhasta lõuend
    gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0); // Puhasta mustaks
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

    // Joonista stseen (näide - nõuab varjutaja korrektset seadistamist)
    gl.useProgram(shaderProgram);
    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);  // Seo uuesti, kui puhver muutub
    gl.vertexAttribPointer(positionAttributeLocation, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
    gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3); // Eeldades 3 tippu kolmnurga jaoks

    requestAnimationFrame(render);
}

requestAnimationFrame(render);

            

              
                Copy
              
            
          

See kood annab kõrgetasemelise illustratsiooni. Täisfunktsionaalse kiirtejälituse konveieri ehitamine hõlmab palju keerukamat varjutajakoodi ja andmehaldust. Võti on keskenduda tõhusale stseeni esitusele, optimeeritud ristumise testimisele ja efektiivsele varjutaja implementatsioonile.

Reaalajas kiirtejälituse optimeerimistehnikad WebGL-is

Reaalajas kiirtejälitus, eriti brauseris, nõuab hoolikat optimeerimist. Mitmed tehnikad võivad jõudlust oluliselt parandada:

• Piirdekehade hierarhiad (BVH-d): Nagu eelnevalt arutatud, on BVH-d ristumistestide kiirendamiseks kriitilise tähtsusega. Optimeerige oma BVH-de konstrueerimist ja läbimist.
• Varjutajate optimeerimine:
• Minimeerige arvutusi: Vähendage üleliigseid arvutusi oma varjutajates. Kasutage eelnevalt arvutatud väärtusi ja vältige kalleid operatsioone, kui vähegi võimalik.
• Tõhusad ristumistestid: Valige kiired kiire-kolmnurga või kiire-objekti ristumisalgoritmid.
• Kasutage tekstuuripäringuid: Nagu varem mainitud, võib tekstuuride kasutamine objektiandmete ja materjaliomaduste salvestamiseks olla tõhusam kui uniformide kasutamine.
• Optimeerige tsükleid: Minimeerige pesastatud tsüklite kasutamist, mis võivad olla jõudluse pudelikaelad.
• Andmete tihendamine: Andmete tihendamine võib vähendada mäluriba laiuse kasutamist. See on kasulik stseeni andmete laadimisel ja tekstuuriandmete jaoks.
• Detailide tase (LOD): Rakendage LOD-tehnikaid, eriti kaugete objektide jaoks. Kasutage kaamerast kaugemal asuvate objektide jaoks lihtsamaid esitusi (väiksem kolmnurkade arv).
• Adaptiivne sämplimine: Kasutage adaptiivset sämplimist, et varieerida piksli kohta heidetud kiirte arvu vastavalt stseeni keerukusele. See võib parandada visuaalset kvaliteeti jõudlust ohverdamata. Keerulise valgustusega alasid sämplitakse sagedamini.
• Vähendage ülejoonistamist: Vähendage ülejoonistamist, et säästa töötlemisaega fragmendivarjutajas.
• Web Workerite integreerimine: Kasutage Web Workereid eeltöötlusülesannete jaoks, nagu BVH konstrueerimine või andmete laadimine.
• Profileerimine ja silumine: Kasutage brauseri arendajatööriistu (nt Chrome DevTools), et profileerida oma WebGL-i rakendust ja tuvastada jõudluse pudelikaelad.
• Kasutage WebGPU-d (tulevikus): WebGPU, järgmise põlvkonna veebigraafika API, pakub funktsioone nagu arvutusvarjutajad, millel on natiivne tugi kiirtejälituse operatsioonidele. See avab potentsiaalselt oluliselt parema jõudluse.

WebGL-i kiirtejälituse praktilised rakendused

WebGL-is kiirtejälituse võimekus avab põnevaid võimalusi mitmesugusteks rakendusteks paljudes tööstusharudes. Siin on mõned näited:

• Interaktiivsed tootekonfiguraatorid: Kasutajad saavad vaadata toodete (nt autod, mööbel) fotorealistlikke renderdusi reaalajas ja kohandada neid valikutega nagu värv, materjal ja valgustus. See loob kaasahaarava ja immersiivse kasutajakogemuse. Seda kasutavad juba ettevõtted üle maailma, Ameerikast Euroopa ja Aasiani.
• Arhitektuursed visualiseerimised: Arhitektid saavad luua interaktiivseid 3D-mudeleid hoonetest ja maastikest, mis esitlevad realistlikku valgustust, varje ja peegeldusi. Kliendid üle kogu maailma saavad neid mudeleid oma brauseri kaudu kaugelt vaadata.
• Mänguarendus: Kuigi see on alles algusjärgus, saab WebGL-i kiirtejälitust kasutada unikaalsete visuaalsete efektide loomiseks ja valgustuse parandamiseks veebipõhistes mängudes. See nihutab brauserisiseselt võimaliku piire.
• Teaduslikud simulatsioonid: Visualiseerige keerulisi teaduslikke andmeid ja simulatsioone realistliku valgustuse ja peegeldustega. Teadlased üle maailma saaksid neid kasutada oma tulemuste paremaks mõistmiseks intuitiivsel visuaalsel viisil.
• Hariduslikud tööriistad: Looge interaktiivseid haridusressursse, mis esitlevad keerulisi kontseptsioone täpse valgustuse ja peegeldustega. Õpilased ja õpetajad erinevatest riikidest saavad suhelda ja mõista teemasid edasijõudnud geomeetrias, optikas ja füüsikas.
• E-kaubandus: Tooge tooted ellu realistlike ja interaktiivsete kogemustega. Esitlege tooteid 360-kraadistes vaadetes, et parandada müüki ja luua meeldiv kasutajakogemus.

Kokkuvõte: WebGL-i kiirtejälituse tulevik

WebGL-i kiirtejälitus on arenev valdkond. Kuigi see nõuab hoolikat jõudluse optimeerimise ja rakendustehnikate kaalumist, on võime tuua realistlik renderdamine veebi uskumatult väärtuslik. RT konveieri konfiguratsioon, kui see on õigesti rakendatud, avab uusi loomingulisi võimalusi ja rikastab kasutajakogemusi. Kuna WebGL areneb edasi ja WebGPU tulekuga näib kiirtejälituse tulevik brauseris helge. Kuna arendajad jätkavad optimeerimiste parandamist ja nende integreerimist uute riistvaravõimalustega, võime oodata veelgi keerukamaid ja interaktiivsemaid kiirtejälitusega rakendusi veebibrauseris. Mõistes põhikontseptsioone, rakendamise samme ja optimeerimistehnikaid, saavad arendajad hakata looma hämmastavaid, interaktiivseid kiirtejälitusega kogemusi, mis on kättesaadavad kasutajatele üle kogu maailma.

See juhend andis ülevaate RT konveieri konfiguratsioonist. Kiirtejälitusrakenduste loomise protsess areneb pidevalt, seega jätkake õppimist, katsetamist ja võimaliku piiride nihutamist. Head kiirtejälitust!