WebGL-i kiirtejälituse laiendused: riistvaraliselt kiirendatud kiirtejälituse vallapäästmine veebis

Aastaid on kiirtejälitus olnud arvutigraafika püha graal, lubades fotorealistlikke pilte täpse valgustuse, peegelduste ja varjudega. Kuigi traditsiooniliselt oli see oma arvutusmahukuse tõttu reserveeritud võrguühenduseta renderdamiseks, on hiljutised edusammud riistvaras teinud reaalajas kiirtejälituse reaalsuseks. Nüüd, WebGL-i kiirtejälituse laienduste tulekuga, on see võimas tehnoloogia valmis veebipõhist graafikat revolutsiooniliselt muutma.

Mis on kiirtejälitus?

Kiirtejälitus on renderdamistehnika, mis simuleerib valguse interaktsiooni stseenis olevate objektidega. Polügoonide rasterdamise asemel järgib kiirtejälitus valguse kiirte teekonda kaamerast, jälitades neid läbi stseeni, kuni need ristuvad objektidega. Arvutades iga kiire värvi ja intensiivsuse, loob kiirtejälitus realistliku valgustuse, peegelduste ja varjudega pilte.

Erinevalt rasterdamisest, mis neid efekte ligikaudselt hindab, pakub kiirtejälitus valguse transpordi füüsikaliselt täpsemat esitust, mille tulemuseks on vapustavad visuaalid. See täpsus kaasneb aga märkimisväärse arvutusliku kuluga, mis muudab reaalajas kiirtejälituse keeruliseks ülesandeks.

Riistvaraliselt kiirendatud kiirtejälituse esiletõus

Traditsioonilise kiirtejälituse arvutuslike piirangute ületamiseks on graafikakaartide tootjad välja töötanud spetsiaalse riistvara kiirtejälituse arvutuste kiirendamiseks. Tehnoloogiad nagu NVIDIA RTX ja AMD Radeon RX seeriad sisaldavad spetsialiseeritud kiirtejälituse tuumasid, mis suurendavad oluliselt jõudlust, muutes reaalajas kiirtejälituse teostatavaks.

Need riistvaralised edusammud on sillutanud teed uutele renderdamistehnikatele, mis kasutavad kiirtejälitust enneolematu realismi taseme saavutamiseks. Mängud, simulatsioonid ja muud rakendused kasutavad nüüd kiirtejälitusega peegeldusi, varje, globaalset valgustust ja muud, luues kaasahaaravaid ja visuaalselt vapustavaid elamusi.

WebGL-i kiirtejälituse laiendused: kiirtejälituse toomine veebi

WebGL, standardne API interaktiivse 2D- ja 3D-graafika renderdamiseks veebibrauserites, on traditsiooniliselt tuginenud rasterdamisele. Kuid kiirtejälituse laienduste kasutuselevõtuga on WebGL nüüd võimeline rakendama riistvaraliselt kiirendatud kiirtejälituse võimsust. See avab veebipõhisele graafikale uute võimaluste maailma, võimaldades arendajatel luua realistlikumaid ja kaasahaaravamaid elamusi otse brauseris.

Need laiendused pakuvad mehhanismi aluseks olevale kiirtejälituse riistvarale juurdepääsuks JavaScripti ja GLSL-i (OpenGL Shading Language), WebGL-is kasutatava varjunduskeele kaudu. Neid laiendusi kasutades saavad arendajad integreerida kiirtejälituse oma veebirakendustesse, kasutades ära spetsiaalse kiirtejälituse riistvara jõudluseeliseid.

Peamised WebGL-i kiirtejälituse laiendused:

• GL_EXT_ray_tracing: See põhilaiendus loob aluse kiirtejälitusele WebGL-is, defineerides fundamentaalsed kiirtejälituse funktsioonid ja andmestruktuurid. See võimaldab arendajatel luua kiirendusstruktuure, saata välja kiiri ja pääseda juurde kiirtejälituse tulemustele.
• GL_EXT_acceleration_structure: See laiendus defineerib kiirendusstruktuurid, mis on hierarhilised andmestruktuurid, mida kasutatakse kiirte ja stseeni geomeetria ristumiste tõhusaks leidmiseks. Kiirendusstruktuuride ehitamine ja haldamine on kiirtejälituse oluline samm, kuna see mõjutab oluliselt jõudlust.
• GL_EXT_ray_query: See laiendus pakub mehhanismi kiirtejälituse tulemuste pärimiseks, näiteks tabamuse kaugus, tabatud geomeetria ja pinna normaal ristumispunktis. See teave on oluline varjundamise ja valgustuse arvutusteks.

WebGL-i kiirtejälituse eelised

Kiirtejälituse laienduste lisamine WebGL-ile pakub mitmeid olulisi eeliseid:

• Täiustatud visuaalne kvaliteet: Kiirtejälitus võimaldab peegelduste, varjude ja globaalse valgustuse realistlikumat renderdamist, mis viib visuaalselt vapustavate ja kaasahaaravate veebielamusteni.
• Parem jõudlus: Riistvaraliselt kiirendatud kiirtejälitus pakub märkimisväärset jõudluse kasvu võrreldes traditsiooniliste rasterdamispõhiste tehnikatega, võimaldades keerukamaid ja detailsemaid stseene.
• Uued loomingulised võimalused: Kiirtejälitus avab veebiarendajatele uusi loomingulisi võimalusi, võimaldades neil luua uuenduslikke ja visuaalselt köitvaid rakendusi, mis varem olid võimatud.
• Platvormideülene ühilduvus: WebGL on platvormideülene API, mis tähendab, et WebGL-i abil arendatud kiirtejälituse rakendused töötavad igas seadmes, millel on ühilduv brauser ja riistvara.
• Juurdepääsetavus: WebGL pakub mugavat ja juurdepääsetavat platvormi kiirtejälituse rakenduste kasutuselevõtuks, kuna kasutajad saavad neile lihtsalt juurde pääseda veebibrauseri kaudu ilma täiendava tarkvara installimiseta.

WebGL-i kiirtejälituse kasutusjuhud

WebGL-i kiirtejälitusel on lai valik potentsiaalseid rakendusi erinevates tööstusharudes:

• Mängud: Kiirtejälitus võib parandada veebipõhiste mängude visuaalset täpsust, luues kaasahaaravamaid ja realistlikumaid mänguelamusi. Kujutage ette esimese isiku vaates tulistamismängu kiirtejälitusega peegelduste ja varjudega või virtuaalmaailma avastamist realistliku globaalse valgustusega.
• Toote visualiseerimine: Kiirtejälitust saab kasutada toodete realistlike renderduste loomiseks, võimaldades klientidel neid enne ostu sooritamist üksikasjalikult visualiseerida. Näiteks võiks mööblimüüja kasutada kiirtejälitust oma toodete tekstuuride ja valgustuse esitlemiseks virtuaalses müügisaalis.
• Arhitektuurne visualiseerimine: Arhitektid saavad kasutada kiirtejälitust hoonete ja interjööride realistlike visualiseeringute loomiseks, võimaldades klientidel oma disainilahendusi üksikasjalikult uurida. See aitab klientidel disaini paremini mõista ja teha teadlikke otsuseid. Kujutage ette hoone virtuaalse mudeli uurimist realistliku valgustuse ja peegeldustega, mis võimaldab teil ruumi kogeda juba enne selle ehitamist.
• Virtuaalreaalsus (VR) ja liitreaalsus (AR): Kiirtejälitus võib parandada VR- ja AR-elamuste realismi, luues kaasahaaravamaid ja köitvamaid keskkondi. Näiteks võiks kiirtejälitust kasutada realistlike varjude ja peegelduste loomiseks VR-mängus või virtuaalsete objektide täpseks katmiseks reaalse maailmaga AR-rakenduses.
• Teaduslik visualiseerimine: Kiirtejälitust saab kasutada keerukate teadusandmete, näiteks vedeliku dünaamika simulatsioonide või molekulaarstruktuuride visualiseerimiseks. See aitab teadlastel oma andmeid paremini mõista ja teha uusi avastusi.
• Haridus: Kiirtejälitust saab kasutada interaktiivsete hariduslike simulatsioonide loomiseks, võimaldades õpilastel keerulisi kontseptsioone visuaalselt kaasahaaraval viisil uurida. Näiteks võiks füüsikasimulatsioon kasutada kiirtejälitust valguse käitumise täpseks simuleerimiseks, võimaldades õpilastel optika põhimõtteid visualiseerida.

Tehnilised kaalutlused

Kuigi WebGL-i kiirtejälitus pakub palju eeliseid, on ka mitmeid tehnilisi kaalutlusi, mida meeles pidada:

• Riistvaranõuded: Kiirtejälitus nõuab spetsiaalset riistvara, näiteks NVIDIA RTX või AMD Radeon RX seeria GPU-sid. Kiirtejälitust kasutavad rakendused ei tööta või töötavad halvasti süsteemides, kus see riistvara puudub.
• Jõudluse optimeerimine: Kiirtejälitus võib olla arvutusmahukas, seega on oluline optimeerida stseeni ja kiirtejälituse koodi hea jõudluse saavutamiseks. See võib hõlmata selliste tehnikate kasutamist nagu detailsuse tase (LOD) ja adaptiivne diskreetimine.
• Kiirendusstruktuuri haldamine: Kiirendusstruktuuride ehitamine ja haldamine on kiirtejälituse jõudluse seisukohalt ülioluline. Arendajad peavad hoolikalt kaaluma kiirendusstruktuuri valikut ja strateegiat selle uuendamiseks stseeni muutudes.
• Varjundaja keerukus: Kiirtejälituse varjundajad võivad olla keerulised, nõudes head arusaama GLSL-ist ja kiirtejälituse algoritmidest. Arendajad võivad vajada uute tehnikate õppimist tõhusate ja efektiivsete kiirtejälituse varjundajate kirjutamiseks.
• Silumine: Kiirtejälituse koodi silumine võib olla keeruline, kuna see hõlmab üksikute kiirte teekondade jälitamist. Arendajad võivad vajada vigade tuvastamiseks ja parandamiseks spetsiaalseid silumistööriistu.

Näide: kiirtejälitusega peegelduste implementeerimine WebGL-is

Vaatleme lihtsustatud näidet, kuidas implementeerida kiirtejälitusega peegeldusi WebGL-is, kasutades kiirtejälituse laiendusi. See näide eeldab, et teil on seadistatud põhiline WebGL-stseen koos kaamera, stseenigraafi ja materjalisüsteemiga.

1. Kiirendusstruktuuri loomine:

   Esiteks peate looma kiirendusstruktuuri, mis esindab stseeni geomeetriat. Seda saab teha kasutades GL_EXT_acceleration_structure laiendust. Kiirendusstruktuuri kasutatakse kiirte ja stseeni ristumiste tõhusaks leidmiseks.

2. Kiire genereerimise varjundaja kirjutamine:

   Järgmiseks peate kirjutama kiire genereerimise varjundaja, mis saadab kaamerast välja kiiri. See varjundaja itereerib üle ekraani pikslite ja genereerib iga piksli jaoks kiire.

   Siin on lihtsustatud näide kiire genereerimise varjundajast:

               #version 460 core
   #extension GL_EXT_ray_tracing : require
   
   layout(location = 0) rayPayloadInEXT vec3 hitValue;
   
   layout(binding = 0, set = 0) uniform accelerationStructureEXT topLevelAS;
   layout(binding = 1, set = 0) uniform CameraData {
       mat4 viewInverse;
       mat4 projectionInverse;
   } camera;
   
   layout(location = 0) out vec4 outColor;
   
   void main() {
       vec2 uv = vec2(gl_LaunchIDEXT.x, gl_LaunchIDEXT.y) / vec2(gl_LaunchSizeEXT.x, gl_LaunchSizeEXT.y);
       vec4 ndc = vec4(uv * 2.0 - 1.0, 0.0, 1.0);
       vec4 viewSpace = camera.projectionInverse * ndc;
       vec4 worldSpace = camera.viewInverse * vec4(viewSpace.xyz, 0.0);
       vec3 rayOrigin = vec3(camera.viewInverse[3]);
       vec3 rayDirection = normalize(worldSpace.xyz - rayOrigin);
   
       RayDescEXT rayDesc;
       rayDesc.origin = rayOrigin;
       rayDesc.direction = rayDirection;
       rayDesc.tMin = 0.001;
       rayDesc.tMax = 1000.0;
   
       traceRayEXT(topLevelAS, gl_RayFlagsOpaqueEXT, 0xFF, 0, 0, 0, rayDesc, hitValue);
   
       outColor = vec4(hitValue, 1.0);
   }
   
               
   
                 
                   Copy
                 
               
             

3. Lähima tabamuse varjundaja kirjutamine:

   Samuti peate kirjutama lähima tabamuse varjundaja, mis käivitatakse, kui kiir ristub objektiga. See varjundaja arvutab objekti värvi ristumispunktis ja tagastab selle tabamuse väärtusena.

   Siin on lihtsustatud näide lähima tabamuse varjundajast:

               #version 460 core
   #extension GL_EXT_ray_tracing : require
   
   layout(location = 0) rayPayloadInEXT vec3 hitValue;
   
   hitAttributeEXT vec3 attribs;
   
   layout(location = 0) attributeEXT vec3 normal;
   
   void main() {
       vec3 n = normalize(normal);
       hitValue = vec3(0.5) + 0.5 * n;
   }
   
               
   
                 
                   Copy
                 
               
             

4. Kiirtejälituse konveieri käivitamine:

   Lõpuks peate käivitama kiirtejälituse konveieri. See hõlmab kiirendusstruktuuri, kiire genereerimise varjundaja ja lähima tabamuse varjundaja sidumist ning seejärel kiirtejälituse arvutuste käivitamist.

5. Peegelduste implementeerimine:

   Lähima tabamuse varjundajas arvutage pinna värvi lihtsalt tagastamise asemel peegeldusvektor. Seejärel saatke peegelduse suunas välja uus kiir, et määrata peegeldunud objekti värv. See nõuab kiirtejälituse konveieri rekursiivset kutsumist (lõpmatute tsüklite vältimiseks piirides) või peegelduste jaoks eraldi läbimist. Lõplik värv on pinna värvi ja peegeldunud värvi kombinatsioon.

   See on lihtsustatud näide ja reaalne implementatsioon hõlmaks keerukamaid arvutusi, näiteks mitme põrke käsitlemist, erinevate valgusallikate diskreetimist ja antialiase rakendamist. Pidage meeles, et jõudlus on oluline, kuna kiirtejälitus võib olla arvutusmahukas.

WebGL-i kiirtejälituse tulevik

WebGL-i kiirtejälitus on alles oma algusjärgus, kuid sellel on potentsiaali muuta veebipõhist graafikat. Kuna riistvaraliselt kiirendatud kiirtejälitus muutub laiemalt kättesaadavaks, võime oodata üha enam veebirakendusi, mis seda tehnoloogiat kasutavad. See viib realistlikumate ja kaasahaaravamate veebielamusteni paljudes erinevates tööstusharudes.

Lisaks sellele toovad Khronos Groupi, WebGL-i eest vastutava organisatsiooni, pidevad arendus- ja standardimispüüdlused tõenäoliselt kaasa API edasisi täiustusi ja brauseritootjate suuremat kasutuselevõttu. See muudab kiirtejälituse veebiarendajatele kättesaadavamaks ja kiirendab WebGL-i kiirtejälituse ökosüsteemi kasvu.

WebGL-i kiirtejälituse tulevik on helge ja me võime oodata lähiaastatel veelgi põnevamaid arenguid. Tehnoloogia küpsedes avab see uusi võimalusi veebipõhisele graafikale ja loob uue põlvkonna kaasahaaravaid ja visuaalselt vapustavaid elamusi.

Globaalne mõju ja juurdepääsetavus

WebGL-i kiirtejälituse tulekul on potentsiaali oluliselt mõjutada kvaliteetse graafika globaalset kättesaadavust. Traditsioonilised tipptasemel graafikarakendused nõuavad sageli spetsiaalset riist- ja tarkvara, piirates nende kättesaadavust piisavate ressurssidega isikutele ja organisatsioonidele.

WebGL, olles veebipõhine tehnoloogia, pakub demokraatlikumat lähenemist. Kuni kasutajatel on juurdepääs ühilduvale brauserile ja riistvarale (mis muutub üha tavalisemaks kiirtejälitust toetavate integreeritud graafikakaartide kasutuselevõtuga), saavad nad kogeda neid täiustatud graafikavõimalusi. See on eriti kasulik piirkondades, kus on piiratud juurdepääs tipptasemel riistvarale või kus spetsiaalsed tarkvaralitsentsid on liiga kallid.

Lisaks tagab WebGL-i platvormideülene olemus, et rakendused saavad töötada laias valikus seadmetes, alates laua- ja sülearvutitest kuni mobiiltelefonide ja tahvelarvutiteni. See laiendab veelgi kiirtejälituse tehnoloogia haaret, muutes selle kättesaadavaks laiemale ülemaailmsele publikule.

Siiski on oluline tunnistada potentsiaalset digitaalset lõhet, mis põhineb riistvara võimekusel. Kuigi kiirtejälitust toetav riistvara muutub üha levinumaks, ei ole see siiski universaalselt kättesaadav. Arendajad peaksid püüdma luua skaleeritavaid rakendusi, mis suudavad kohaneda erinevate riistvarakonfiguratsioonidega, tagades, et ka vähem võimsate seadmetega kasutajad saaksid positiivse kogemuse.

Kokkuvõte

WebGL-i kiirtejälituse laiendused kujutavad endast olulist sammu edasi veebipõhise graafika arengus. Tuues riistvaraliselt kiirendatud kiirtejälituse veebibrauseritesse, avavad need laiendused uute võimaluste maailma realistlikumate, kaasahaaravamate ja süvenenumate elamuste loomiseks. Kuigi tuleb arvestada tehniliste kaalutlustega, on WebGL-i kiirtejälituse eelised vaieldamatud ja me võime oodata, et see mängib veebi tulevikus üha olulisemat rolli.

Tehnoloogia küpsedes ja laiemalt kasutusele võetuna annab see veebiarendajatele võimaluse luua uuenduslikke ja visuaalselt vapustavaid rakendusi, mis olid varem kujuteldamatud. Veebigraafika tulevik on helge ja WebGL-i kiirtejälitus on valmis olema selle arengu võtmeteguriks.