WebGL kiirtejälitus: Reaalajas kiirtejälitus WebGL Compute Shaderitega

Kiirtejälitus (ray tracing), oma fotorealistlike piltide poolest tuntud renderdustehnika, on traditsiooniliselt olnud arvutusmahukas ja reserveeritud võrguühenduseta renderdusprotsessidele. Kuid GPU-tehnoloogia areng ja arvutusvarjurite (compute shaders) kasutuselevõtt on avanud ukse reaalajas kiirtejälitusele WebGL-is, tuues kõrge kvaliteediga graafika veebipõhistesse rakendustesse. See artikkel pakub põhjalikku juhendit reaalajas kiirtejälituse rakendamiseks WebGL-i arvutusvarjurite abil, mis on suunatud ülemaailmsele arendajate publikule, kes on huvitatud veebigraafika piiride nihutamisest.

Mis on kiirtejälitus?

Kiirtejälitus simuleerib valguse liikumist reaalses maailmas. Polügoonide rasterdamise asemel heidab kiirtejälitus kiiri kaamerast (või silmast) läbi iga ekraanipiksli stseeni. Need kiired lõikuvad objektidega ja vastavalt nende objektide materjali omadustele määratakse piksli värv, arvutades, kuidas valgus põrkub ja pinnaga interakteerub. See protsess võib hõlmata peegeldusi, murdumisi ja varje, mille tulemuseks on ülitõetruud pildid.

Kiirtejälituse põhimõisted:

• Kiirte heitmine (Ray Casting): Protsess, kus kaamerast heidetakse stseeni kiiri.
• Lõikumistestid: Määratletakse, kus kiir lõikub stseenis olevate objektidega.
• Pinna normaalvektorid: Vektorid, mis on risti pinnaga lõikepunktis ja mida kasutatakse peegelduse ja murdumise arvutamiseks.
• Materjali omadused: Määratlevad, kuidas pind valgusega interakteerub (nt värv, peegelduvus, karedus).
• Varjukiired: Lõikepunktist valgusallikate suunas heidetud kiired, et teha kindlaks, kas punkt on varjus.
• Peegeldus- ja murdumiskiired: Lõikepunktist heidetud kiired peegelduste ja murdumiste simuleerimiseks.

Miks WebGL ja arvutusvarjurid?

WebGL pakub platvormiülest API-t 2D- ja 3D-graafika renderdamiseks veebibrauseris ilma pistikprogrammide kasutamiseta. WebGL 2.0-ga kasutusele võetud arvutusvarjurid (compute shaders) võimaldavad üldotstarbelisi arvutusi GPU-l. See võimaldab meil kasutada GPU paralleeltöötlusvõimsust kiirtejälituse arvutuste tõhusaks teostamiseks.

WebGL-i kasutamise eelised kiirtejälitusel:

• Platvormiülene ühilduvus: WebGL töötab igas kaasaegses veebibrauseris, olenemata operatsioonisüsteemist.
• Riistvaraline kiirendus: Kasutab GPU-d kiireks renderdamiseks.
• Pistikprogramme pole vaja: Kaotab vajaduse kasutajatel lisatarkvara installida.
• Juurdepääsetavus: Muudab kiirtejälituse veebi kaudu kättesaadavaks laiemale publikule.

Arvutusvarjurite kasutamise eelised:

• Paralleeltöötlus: Kasutab GPU-de massiivselt paralleelset arhitektuuri tõhusateks kiirtejälituse arvutusteks.
• Paindlikkus: Võimaldab kiirtejälituse jaoks kohandatud algoritme ja optimeerimisi.
• Otsene juurdepääs GPU-le: Möödub traditsioonilisest renderdustorustikust suurema kontrolli saavutamiseks.

Rakendamise ülevaade

Kiirtejälituse rakendamine WebGL-is arvutusvarjurite abil hõlmab mitut põhietappi:

1. WebGL konteksti seadistamine: WebGL konteksti loomine ja vajalike laienduste lubamine (nõutav on WebGL 2.0).
2. Arvutusvarjurite loomine: GLSL-koodi kirjutamine arvutusvarjurile, mis teostab kiirtejälituse arvutusi.
3. Shader Storage Buffer objektide (SSBO) loomine: Mälu eraldamine GPU-l stseeniandmete, kiirte andmete ja lõpliku pildi salvestamiseks.
4. Arvutusvarjuri käivitamine: Arvutusvarjuri käivitamine andmete töötlemiseks.
5. Tulemuste tagasilugemine: Renderdatud pildi hankimine SSBO-st ja selle kuvamine ekraanil.

Rakendamise üksikasjalikud sammud

1. WebGL konteksti seadistamine

Esimene samm on luua WebGL 2.0 kontekst. See hõlmab canvas-elemendi hankimist HTML-ist ja seejärel WebGL2RenderingContext'i taotlemist. Vigade käsitlemine on ülioluline, et tagada konteksti edukas loomine.

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

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

              
                Copy
              
            
          

2. Arvutusvarjurite loomine

Kiirtejälitaja tuum on GLSL-is kirjutatud arvutusvarjur. See varjur vastutab kiirte heitmise, lõikumistestide tegemise ja iga piksli värvi arvutamise eest. Arvutusvarjur töötab töögruppide võrgustikul, millest igaüks töötleb väikest pildi piirkonda.

Siin on lihtsustatud näide arvutusvarjurist, mis arvutab põhivärvi pikslite koordinaatide põhjal:

            #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
              
            
          

See varjur määratleb töögrupi suuruseks 8x8, väljundpuhvri nimega `pixels` ja ühtse muutuja ekraani eraldusvõime jaoks. Iga tööüksus (piksel) arvutab oma värvi oma asukoha põhjal ja kirjutab selle väljundpuhvrisse.

3. Shader Storage Buffer objektide (SSBO) loomine

SSBO-sid kasutatakse andmete salvestamiseks, mida jagatakse CPU ja GPU vahel. Sel juhul kasutame SSBO-sid stseeniandmete (nt kolmnurkade tipud, materjali omadused), kiirte andmete ja lõpliku renderdatud pildi salvestamiseks. Looge SSBO, siduge see sidumispunktiga ja täitke see esialgsete andmetega.

            // 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. Arvutusvarjuri käivitamine

Arvutusvarjuri käivitamiseks peame selle käivitama (dispatch). See hõlmab igas dimensioonis käivitatavate töögruppide arvu määramist. Töögruppide arv määratakse, jagades pikslite koguarvu varjuris määratletud töögrupi suurusega.

            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` käivitab arvutusvarjuri. `gl.memoryBarrier` tagab, et GPU on lõpetanud SSBO-sse kirjutamise, enne kui CPU proovib sealt lugeda.

5. Tulemuste tagasilugemine

Pärast arvutusvarjuri töö lõpetamist peame renderdatud pildi SSBO-st tagasi CPU-sse lugema. See hõlmab puhvri loomist CPU-s ja seejärel `gl.getBufferSubData` kasutamist andmete kopeerimiseks SSBO-st CPU puhvrisse. Lõpuks looge andmete abil pildielement.

            // 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
              
            
          

Stseeni esitus ja kiirendusstruktuurid

Kiirtejälituse oluline aspekt on kiirte ja stseenis olevate objektide lõikepunktide tõhus leidmine. Jõumeetodil lõikumistestid, kus iga kiirt testitakse iga objekti vastu, on arvutuslikult kulukad. Jõudluse parandamiseks kasutatakse kiirendusstruktuure stseeniandmete organiseerimiseks ja objektide kiireks kõrvaldamiseks, mis tõenäoliselt antud kiirega ei lõiku.

Levinud kiirendusstruktuurid:

• Piirdekarpide hierarhia (Bounding Volume Hierarchy, BVH): Hierarhiline puustruktuur, kus iga sõlm esindab piirdekarpi, mis ümbritseb teatud hulka objekte. See võimaldab kiiresti suuri stseeniosi kõrvale jätta.
• Kd-puu (Kd-Tree): Ruumi jaotav andmestruktuur, mis jagab stseeni rekursiivselt väiksemateks piirkondadeks.
• Ruumiline räsistamine (Spatial Hashing): Jagab stseeni lahtrite võrgustikuks ja salvestab objektid lahtritesse, mida nad läbivad.

WebGL kiirtejälituse jaoks on BVH-d sageli eelistatud valik nende suhtelise rakendamise lihtsuse ja hea jõudluse tõttu. BVH rakendamine hõlmab järgmisi samme:

1. Piirdekarbi arvutamine: Arvutage iga stseenis oleva objekti (nt kolmnurkade) piirdekarp.
2. Puu ehitamine: Jagage stseen rekursiivselt väiksemateks piirdekarpideks, kuni iga lehesõlm sisaldab väikest arvu objekte. Levinud jaotuskriteeriumid on pikima telje keskpunkt või pinnaala heuristika (SAH).
3. Läbimine: Läbige BVH-d kiirtejälituse ajal, alustades juursõlmest. Kui kiir lõikub sõlme piirdekarbiga, läbige rekursiivselt selle alamsõlmed. Kui kiir lõikub lehesõlmega, tehke lõikumistestid selles sõlmes sisalduvate objektidega.

Näide BVH struktuurist GLSL-is (lihtsustatud):

            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
              
            
          

Kiire-kolmnurga lõikumine

Kõige fundamentaalsem lõikumistest kiirtejälituses on kiire ja kolmnurga lõikumine. Selle testi tegemiseks on olemas mitmeid algoritme, sealhulgas Möller–Trumbore algoritm, mis on laialdaselt kasutusel oma tõhususe ja lihtsuse tõttu.

Möller–Trumbore algoritm:

Möller–Trumbore algoritm arvutab kiire ja kolmnurga lõikepunkti, lahendades lineaarvõrrandisüsteemi. See hõlmab barütsentriliste koordinaatide arvutamist, mis määravad lõikepunkti asukoha kolmnurgas. Kui barütsentrilised koordinaadid on vahemikus [0, 1] ja nende summa on väiksem või võrdne 1-ga, siis kiir lõikub kolmnurgaga.

Näide GLSL koodist:

            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
              
            
          

Varjustus ja valgustus

Kui lõikepunkt on leitud, on järgmine samm piksli värvi arvutamine. See hõlmab valguse interaktsiooni määramist pinnaga lõikepunktis. Levinud varjustusmudelid on järgmised:

• Phongi varjustus: Lihtne varjustusmudel, mis arvutab valguse hajus- ja peegelduskomponendid.
• Blinn-Phongi varjustus: Phongi varjustuse täiustus, mis kasutab peegelduskomponendi arvutamiseks poolvektorit.
• Füüsikaliselt põhjendatud renderdamine (PBR): Realistlikum varjustusmudel, mis arvestab materjalide füüsikalisi omadusi.

Kiirtejälitus võimaldab rasterdamisest arenenumaid valgusefekte, nagu globaalne valgustus, peegeldused ja murdumised. Neid efekte saab rakendada, heites lõikepunktist täiendavaid kiiri.

Näide: Hajusvalgustuse arvutamine

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

            

              
                Copy
              
            
          

Jõudluskaalutlused ja optimeerimine

Kiirtejälitus on arvutusmahukas ja reaalajas jõudluse saavutamine WebGL-is nõuab hoolikat optimeerimist. Siin on mõned peamised tehnikad:

• Kiirendusstruktuurid: Nagu varem mainitud, on BVH-de sarnaste kiirendusstruktuuride kasutamine ülioluline lõikumistestide arvu vähendamiseks.
• Kiirte varajane lõpetamine: Lõpetage kiired varakult, kui need ei panusta oluliselt lõplikku pilti. Näiteks võib varjukiired lõpetada kohe, kui need tabavad objekti.
• Adaptiivne sämplimine: Kasutage piksli kohta muutuvat arvu sämpleid, sõltuvalt stseeni keerukusest. Suure detailsuse või keeruka valgustusega piirkondi saab renderdada rohkemate sämplitega.
• Müra eemaldamine (Denoising): Kasutage müra eemaldamise algoritme renderdatud pildi müra vähendamiseks, mis võimaldab kasutada vähem sämpleid piksli kohta.
• Arvutusvarjuri optimeerimine: Optimeerige arvutusvarjuri koodi, minimeerides mälu juurdepääse, kasutades vektoroperatsioone ja vältides hargnemist.
• Töögrupi suuruse häälestamine: Katsetage erinevate töögruppide suurustega, et leida siht-GPU jaoks optimaalne konfiguratsioon.
• Riistvaralise kiirtejälituse kasutamine (kui on saadaval): Mõned GPU-d pakuvad nüüd spetsiaalset riistvara kiirtejälituse jaoks. Kontrollige ja kasutage laiendusi, mis seda funktsionaalsust WebGL-is pakuvad.

Globaalsed näited ja rakendused

WebGL-i kiirtejälitusel on arvukalt potentsiaalseid rakendusi erinevates tööstusharudes üle maailma:

• Mängutööstus: Parandage veebipõhiste mängude visuaalset kvaliteeti realistliku valgustuse, peegelduste ja varjudega.
• Toote visualiseerimine: Looge interaktiivseid 3D-mudeleid toodetest fotorealistliku renderdamisega e-kaubanduse ja turunduse jaoks. Näiteks võiks Rootsi mööblifirma lubada klientidel visualiseerida mööblit oma kodudes täpse valgustuse ja peegeldustega.
• Arhitektuuri visualiseerimine: Visualiseerige arhitektuurseid projekte realistliku valgustuse ja materjalidega. Dubais asuv arhitektuuribüroo võiks kasutada kiirtejälitust, et esitleda hoonete projekte täpsete päikesevalguse ja varjude simulatsioonidega.
• Virtuaalreaalsus (VR) ja liitreaalsus (AR): Parandage VR- ja AR-kogemuste realismi, lisades kiirtejälituse efekte. Näiteks võiks Londoni muuseum pakkuda VR-tuuri, mille visuaalseid detaile on kiirtejälituse abil täiustatud.
• Teaduslik visualiseerimine: Visualiseerige keerukaid teadusandmeid realistlike renderdustehnikatega. Jaapani uurimislabor võiks kasutada kiirtejälitust molekulaarsete struktuuride visualiseerimiseks täpse valgustuse ja varjudega.
• Haridus: Arendage interaktiivseid õppevahendeid, mis demonstreerivad optika ja valguse leviku põhimõtteid.

Väljakutsed ja tulevikusuunad

Kuigi reaalajas kiirtejälitus WebGL-is muutub järjest teostatavamaks, on siiski mitmeid väljakutseid:

• Jõudlus: Kõrgete kaadrisageduste saavutamine keeruliste stseenidega on endiselt väljakutse.
• Keerukus: Täisväärtusliku kiirtejälitaja rakendamine nõuab märkimisväärset programmeerimistööd.
• Riistvaraline tugi: Mitte kõik GPU-d ei toeta arvutusvarjurite või riistvaralise kiirtejälituse jaoks vajalikke laiendusi.

WebGL kiirtejälituse tulevikusuunad hõlmavad:

• Parem riistvaraline tugi: Kuna üha enam GPU-sid sisaldab spetsiaalset kiirtejälituse riistvara, paraneb jõudlus märkimisväärselt.
• Standardiseeritud API-d: Standardiseeritud API-de arendamine riistvaralise kiirtejälituse jaoks WebGL-is lihtsustab rakendusprotsessi.
• Täiustatud müra eemaldamise tehnikad: Keerukamad müra eemaldamise algoritmid võimaldavad kvaliteetsemaid pilte vähemate sämplitega.
• Integratsioon WebAssembly'ga (Wasm): WebAssembly kasutamine kiirtejälitaja arvutusmahukate osade rakendamiseks võib jõudlust parandada.

Kokkuvõte

Reaalajas kiirtejälitus WebGL-is arvutusvarjurite abil on kiiresti arenev valdkond, millel on potentsiaal veebigraafikat revolutsiooniliselt muuta. Mõistes kiirtejälituse aluseid, kasutades arvutusvarjurite võimsust ja rakendades optimeerimistehnikaid, saavad arendajad luua vapustavaid visuaalseid kogemusi, mida kunagi peeti veebibrauseris võimatuks. Kuna riist- ja tarkvara pidevalt täiustuvad, võime lähiaastatel oodata veebis veelgi muljetavaldavamaid kiirtejälituse rakendusi, mis on kättesaadavad ülemaailmsele publikule igast kaasaegse brauseriga seadmest.

See juhend on andnud põhjaliku ülevaate reaalajas kiirtejälituse rakendamisega seotud mõistetest ja tehnikatest WebGL-is. Julgustame arendajaid kogu maailmas nende tehnikatega katsetama ja panustama veebigraafika edendamisse.