WebGL Kiirtejälitus ja Globaalne Valgustus: Füüsikaliselt Täpse Valgustuse Saavutamine Veebirakendustes

Püüd realismi poole 3D-graafikas on ajendanud pidevat innovatsiooni renderdustehnikates. Kiirtejälitus, mis kunagi oli oma arvutusmahukuse tõttu piiratud võrguühenduseta renderdamisega, muutub nüüd reaalajas keskkondades üha kättesaadavamaks tänu riistvara ja API-de, nagu WebGL, arengule. See artikkel süveneb WebGL kiirtejälituse ja globaalse valgustuse paeluvasse maailma, uurides, kuidas saavutada füüsikaliselt täpne valgustus veebirakendustes.

Globaalse valgustuse mõistmine

Globaalne valgustus (GI) viitab renderdustehnikate kogumile, mis simuleerib valguse põrkumist stseenis, luues realistlikuma ja kaasahaaravama visuaalse kogemuse. Erinevalt otsevalgustusest, mis arvestab ainult pindu otse valgustavaid valgusallikaid, võtab GI arvesse kaudset valgust – valgust, mis on peegeldunud, murdunud või hajutatud teistelt pindadelt keskkonnas. See hõlmab efekte nagu:

• Hajus vastastikune peegeldus: Valguse põrkumine hajusate pindade vahel, mis põhjustab värvide ülekandumist (color bleeding) ja peent ümbritsevat valgust. Kujutage ette, et punane sein heidab lähedal asuvale valgele põrandale õrna punase varjundi.
• Peegelpeegeldus: Valgusallikate ja ümbritseva keskkonna täpsed peegeldused läikivatel pindadel. Mõelge akna peegeldusele poleeritud metallkeras.
• Refraktsioon (valguse murdumine): Valguse paindumine läbipaistvatest materjalidest läbiminekul, luues realistlikke moonutusi ja kaustikaid. Mõelge sellele, kuidas veeklaas painutab valgust, tekitades all olevale pinnale mustreid.
• Pinnaalune hajumine (SSS): Valgus, mis tungib poolläbipaistvatesse materjalidesse ja hajub sisemiselt enne väljumist, andes tulemuseks pehme, valgustatud välimuse. Näideteks on nahk, marmor ja piim.

Realistliku globaalse valgustuse saavutamine parandab oluliselt 3D-stseenide visuaalset kvaliteeti, muutes need usutavamaks ja kaasahaaravamaks. Nende efektide täpne simuleerimine on aga arvutusmahukas.

Kiirtejälitus: Tee realistliku valgustuseni

Kiirtejälitus on renderdustehnika, mis simuleerib valguse käitumist, jälitades kiiri kaamerast (või silmast) läbi iga pildipiksli stseeni sisse. Kui kiir lõikub pinnaga, määrab kiirtejälitaja selle punkti värvi ja heleduse, arvestades selles asukohas olevaid valgusefekte. Seda protsessi saab rekursiivselt korrata, et simuleerida peegeldusi, murdumisi ja muid keerukaid valguse interaktsioone.

Traditsiooniline rasterdamispõhine renderdamine, mis on aastaid olnud domineeriv meetod reaalajas graafikas, lähendab globaalset valgustust tehnikatega nagu ümbritsev varjutus (ambient occlusion), ekraaniruumi peegeldused (screen-space reflections) ja valgusproovid (light probes). Kuigi need meetodid võivad anda visuaalselt meeldivaid tulemusi, puudub neil sageli kiirtejälituse täpsus ja füüsikaline korrektsus.

Kiirtejälitus seevastu käsitleb globaalse valgustuse efekte loomulikult, järgides valguskiirte teekondi nende interaktsioonil stseeniga. See võimaldab peegelduste, murdumiste ja muude keerukate valguse transpordi nähtuste täpset simuleerimist.

WebGL ja kiirtejälitus: kasvav maastik

WebGL (Web Graphics Library) on JavaScripti API interaktiivse 2D- ja 3D-graafika renderdamiseks igas ühilduvas veebibrauseris ilma pistikprogrammide kasutamiseta. See kasutab renderdamise jõudluse kiirendamiseks aluseks olevat graafikaprotsessorit (GPU). Traditsiooniliselt on WebGL-i seostatud rasterdamispõhise renderdamisega.

Hiljutised edusammud WebGL-is, eriti WebGL 2 ja laienduste nagu GL_EXT_ray_tracing ja WEBGL_gpu_acceleration kasutuselevõtuga, avavad aga võimalusi kiirtejälituse tehnikate kaasamiseks veebirakendustesse. Need laiendused pakuvad juurdepääsu GPU-kiirendusega kiirtejälituse funktsionaalsusele, võimaldades arendajatel luua realistlikumaid ja visuaalselt vapustavamaid veebipõhiseid kogemusi.

Kiirtejälituse rakendamiseks WebGL-is on mitmeid lähenemisviise:

• Arvutusvarjutajad: Arvutusvarjutajad võimaldavad üldotstarbelisi arvutusi GPU-l. Kiirtejälituse algoritme saab rakendada arvutusvarjutajate abil, teostades kiirte ja stseeni lõikumise teste ning arvutades valgusefekte. See lähenemine nõuab rohkem käsitsi rakendamist, kuid pakub paindlikkust ja kontrolli.
• Riistvaraliselt kiirendatud kiirtejälituse laiendused: Laiendused nagu GL_EXT_ray_tracing pakuvad otsest juurdepääsu riistvaralisele kiirtejälituse võimekusele, kui see on kasutaja seadmes saadaval. See lähenemine võib oluliselt parandada jõudlust võrreldes arvutusvarjutajatel põhinevate rakendustega. Siiski sõltub see konkreetse riistvara ja draiverite toest.
• WebGPU: WebGPU on WebGL-i järeltulija, mis on loodud pakkuma moodsamat ja tõhusamat API-d GPU võimekustele juurdepääsuks. WebGPU-l on kiirtejälituse jaoks olemuslik tugi, mis teeb sellest paljulubava platvormi tulevaste veebipõhiste kiirtejälituse rakenduste jaoks.

WebGL kiirtejälituse ja globaalse valgustuse rakendamine

WebGL kiirtejälituse ja globaalse valgustuse rakendamine on keerukas ettevõtmine, mis nõuab kindlaid teadmisi arvutigraafika põhimõtetest, kiirtejälituse algoritmidest ja WebGL-i programmeerimisest.

Siin on lihtsustatud ülevaade tüüpilistest sammudest:

1. Stseeni esitus: Esitage 3D-stseen andmestruktuuride abil, mis on tõhusad kiirte ja stseeni lõikumise testide jaoks. Levinud andmestruktuuride hulka kuuluvad ümbritsevate mahtude hierarhiad (BVH-d) ja k-d puud. Need struktuurid aitavad kiirendada kiirtejälituse protsessi, jättes kiiresti kõrvale suured stseeni osad, millega antud kiir tõenäoliselt ei lõiku.
2. Kiirte genereerimine: Genereerige kiiri kaamerast läbi iga pildipiksli. Iga kiire suund määratakse kaamera asukoha, orientatsiooni ja vaatevälja järgi.
3. Kiire ja stseeni lõikumine: Tehke iga kiire jaoks lõikumistestid kõigi stseenis olevate objektidega. See hõlmab kindlakstegemist, kas kiir lõikub iga objektiga, ja kui jah, siis lõikepunkti arvutamist.
4. Varjutamine: Arvutage lõikepunktis pinna värv ja heledus vastavalt valgustusmudelile. See hõlmab nii valgusallikatest tuleva otsevalgustuse kui ka globaalse valgustuse efektidest tuleneva kaudse valguse arvessevõtmist.
5. Globaalse valgustuse sämplimine: Globaalse valgustuse jaoks saatke lõikepunktist välja täiendavaid kiiri ümbritseva keskkonna sämplimiseks. Neid kiiri kasutatakse selleks, et hinnata valguse hulka, mis jõuab punkti teistelt stseeni pindadelt. Valguse transpordi tõhusaks sämplimiseks kasutatakse sageli tehnikaid nagu rajajälgimine, Monte Carlo integreerimine ja olulisuse sämplimine (importance sampling).
6. Rekursiivne kiirtejälitus: Korrake samme 3–5 rekursiivselt peegeldus- ja murdumiskiirte jaoks, jälitades valguse teekondi selle põrkumisel stseenis. Rekursiooni sügavus on tavaliselt piiratud, et vältida liigset arvutamist.
7. Väljund: Väljastage iga piksli lõplik värv WebGL-i lõuendile.

Rajajälgimine: võimas GI tehnika

Rajajälgimine on Monte Carlo kiirtejälituse algoritm, mis simuleerib globaalset valgustust, jälitades juhuslikke valguse teekondi läbi stseeni. See on kontseptuaalselt lihtne, kuid võimas tehnika, mis suudab anda väga realistlikke tulemusi.

Rajajälgimisel ei jälitata kiiri mitte ainult kaamerast, vaid ka valgusallikatest. Need kiired põrkuvad stseenis ringi, interakteerudes pindadega, kuni jõuavad lõpuks kaamerani. Iga piksli värv määratakse seejärel, keskmistades kõigi valgusteedee panused, mis jõuavad kaamerani selle piksli kaudu.

Rajajälgimine on olemuselt Monte Carlo meetod, mis tähendab, et see tugineb valguse transpordi hindamisel juhuslikule sämplimisele. See võib põhjustada mürarikkaid pilte, eriti väikese sämplite arvu korral. Müra saab aga vähendada, suurendades sämplite arvu piksli kohta. Kasutajakogemuse parandamiseks kasutatakse sageli progressiivse renderdamise tehnikaid, kus pilti täiustatakse järk-järgult aja jooksul, kui koguneb rohkem sämpleid.

Näide: Hajusa globaalse valgustuse rakendamine rajajälgimisega

Vaatleme lihtsustatud näidet hajusa globaalse valgustuse rakendamisest rajajälgimise abil WebGL-is. See näide keskendub põhikontseptsioonile – kiirte jälitamisele kaudse valgustuse teabe kogumiseks.

Fragmendivarjutaja (lihtsustatud):

            #version 300 es
precision highp float;

in vec3 worldPosition;
in vec3 worldNormal;

uniform vec3 lightPosition;
uniform vec3 cameraPosition;

out vec4 fragColor;

// Random number generator (LCG)
uint seed;
float random(in vec2 uv) {
    seed = (uint(uv.x * 1024.0) * 1664525u + uint(uv.y * 1024.0) * 1013904223u + seed) & 0xffffffffu;
    return float(seed) / float(0xffffffffu);
}

vec3 randomDirection(in vec3 normal) {
    float u = random(gl_FragCoord.xy + vec2(0.0, 0.0));
    float v = random(gl_FragCoord.xy + vec2(0.1, 0.1));
    float theta = acos(u);
    float phi = 2.0 * 3.14159 * v;
    vec3 tangent = normalize(cross(normal, vec3(0.0, 1.0, 0.0)));
    if (length(tangent) < 0.001) {
        tangent = normalize(cross(normal, vec3(1.0, 0.0, 0.0)));
    }
    vec3 bitangent = cross(normal, tangent);

    vec3 direction = normalize(
        normal * cos(theta) +
        tangent * sin(theta) * cos(phi) +
        bitangent * sin(theta) * sin(phi)
    );

    return direction;
}

void main() {
    seed = uint(gl_FragCoord.x * 1024.0 + gl_FragCoord.y);
    vec3 normal = normalize(worldNormal);

    // Direct Lighting (Simplified)
    vec3 lightDir = normalize(lightPosition - worldPosition);
    float diffuse = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    vec3 directLighting = vec3(1.0, 1.0, 1.0) * diffuse;

    // Indirect Lighting (Path Tracing)
    vec3 indirectLighting = vec3(0.0);
    int numSamples = 10;
    for (int i = 0; i < numSamples; ++i) {
        vec3 randomDir = randomDirection(normal);

        //  Simplified: Assume a constant color for simplicity (replace with actual scene sampling)
        indirectLighting += vec3(0.5, 0.5, 0.5); // Example indirect color
    }
    indirectLighting /= float(numSamples);

    fragColor = vec4(directLighting + indirectLighting, 1.0);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Selgitus:

• Maailma asukoht ja normaal: Need on interpoleeritud tipuatribuudid, mis edastatakse tipuvarjutajast.
• Valgusallika asukoht ja kaamera asukoht: Uniform-muutujad, mis esindavad valgusallika ja kaamera asukohti.
• Juhuslike arvude generaator: Lihtne lineaarne kongruentsgeneraator (LCG) on kasutatud pseudojuhuslike arvude genereerimiseks suuna sämplimisel. Tootmiskoodis tuleks kasutada paremat RNG-d.
• Juhuslik suund: Genereerib juhusliku suuna normaalvektori ümber asuval poolkeral. Seda kasutatakse sissetuleva valguse sämplimiseks erinevatest suundadest.
• Otsevalgustus: Arvutab otsevalgustuse hajusa komponendi, kasutades normaali ja valguse suuna skalaarkorrutist.
• Kaudne valgustus (rajajälgimine):
  • Tsükkel itereerib kindlaksmääratud arvu kordi (numSamples).
  • Igas iteratsioonis genereeritakse juhuslik suund funktsiooni randomDirection abil.
  • Lihtsustatud stseeni sämplimine: Selles lihtsustatud näites eeldame kaudse valgustuse jaoks konstantset värvi. Reaalses rakenduses jälitaksite kiirt suunas randomDir ja sämpliksite objekti värvi, millega kiir lõikub. See hõlmab rekursiivset kiirtejälitust, mida selles lihtsustatud näites ei näidata.
  • Kaudse valgustuse panus akumuleeritakse ja jagatakse seejärel keskmise saamiseks sämplite arvuga.
• Lõplik värv: Lõplik värv arvutatakse otse- ja kaudvalgustuse komponentide liitmisel.

Olulised märkused:

• See on väga lihtsustatud näide. Täielik rajajälitaja nõuab keerukamaid tehnikaid kiire ja stseeni lõikumiseks, materjalide hindamiseks ja dispersiooni vähendamiseks.
• Stseeni andmed: See näide eeldab, et stseeni geomeetria ja materjali omadused on juba laaditud ja varjutajas saadaval.
• Kiirtejälituse rakendamine: Kiirtejälituse osa (kiirte jälitamine ja lõikepunktide leidmine) ei ole selles näites selgelt näidatud. Eeldatakse, et seda käsitleb mõni muu koodi osa, näiteks kasutades arvutusvarjutajaid või riistvaralisi kiirtejälituse laiendusi. Näide keskendub varjutamise aspektile pärast seda, kui kiir on pinnaga lõikunud.
• Müra: Rajajälgimine tekitab sageli mürarikkaid pilte, eriti väikese sämplite arvu korral. Müra vähendamiseks saab kasutada dispersiooni vähendamise tehnikaid, nagu olulisuse sämplimine (importance sampling) ja stratifitseeritud sämplimine (stratified sampling).

Füüsikaliselt põhinev renderdamine (PBR)

Füüsikaliselt põhinev renderdamine (PBR) on renderdamise lähenemisviis, mille eesmärk on simuleerida valguse ja materjalide vastastikmõju füüsikaliselt täpsel viisil. PBR-materjalid on määratletud parameetritega, mis vastavad reaalsetele füüsikalistele omadustele, näiteks:

• Põhivärv (Albedo): Materjali olemuslik värv.
• Metalsus: Näitab, kas materjal on metallist või mittemetallist.
• Karedus: Kirjeldab pinna karedust, mis mõjutab peegelpeegelduse hulka. Kare pind hajutab valgust hajusalt, samas kui sile pind tekitab teravamaid peegeldusi.
• Peegelduvus: Kontrollib peegelpeegelduse intensiivsust.
• Normaalkaart: Tekstuur, mis salvestab normaalvektoreid, võimaldades simuleerida detailset pinnageomeetriat ilma tegelikult polügoonide arvu suurendamata.

PBR-materjale kasutades saate luua realistlikumaid ja ühtlasemaid valgusefekte erinevates keskkondades. Koos globaalse valgustuse tehnikatega võib PBR anda erakordselt realistlikke tulemusi.

PBR-i integreerimine WebGL kiirtejälituse ja GI-ga

PBR-i integreerimiseks WebGL kiirtejälituse ja globaalse valgustusega peate kiirtejälituse algoritmi varjutamisarvutustes kasutama PBR-materjali omadusi.

See hõlmab:

• BRDF-i hindamine: Kahesuunaline peegelduse jaotuse funktsioon (BRDF) kirjeldab, kuidas valgus peegeldub pinnalt antud punktis. PBR-materjalid kasutavad spetsiifilisi BRDF-e, mis põhinevad füüsikalistel põhimõtetel, näiteks Cook-Torrance'i BRDF.
• Keskkonna sämplimine: Globaalse valgustuse arvutamisel peate sämplima ümbritsevat keskkonda, et hinnata pinnale jõudva valguse hulka. Seda saab teha keskkonnakaartide abil või jälitades kiiri otse stseeni sämplimiseks.
• Energia jäävuse rakendamine: PBR-materjalid on energiat säästvad, mis tähendab, et pinnalt peegelduva valguse koguhulk ei tohi ületada sellele langeva valguse hulka. See piirang aitab tagada, et valgustus näeb välja realistlik.

Cook-Torrance'i BRDF on populaarne valik PBR-renderdamiseks, kuna seda on suhteliselt lihtne rakendada ja see annab realistlikke tulemusi. See koosneb kolmest põhikomponendist:

• Hajus liige: Esindab valgust, mis hajub pinnalt hajusalt. Tavaliselt arvutatakse see Lamberti koosinusseaduse abil.
• Peegelduv liige: Esindab valgust, mis peegeldub pinnalt peegelduvalt. See komponent arvutatakse mikropindade mudeli abil, mis eeldab, et pind koosneb pisikestest, täiuslikult peegeldavatest mikropindadest.
• Geomeetria funktsioon: Arvestab mikropindade varjamist ja varjutamist.
• Fresneli liige: Kirjeldab valguse hulka, mis peegeldub pinnalt erinevate nurkade all.
• Jaotusfunktsioon: Kirjeldab mikropindade normaalide jaotust.

Jõudlusega seotud kaalutlused

Kiirtejälitus, eriti koos globaalse valgustusega, on arvutusmahukas. Reaalajas jõudluse saavutamine WebGL-is nõuab hoolikat optimeerimist ja riistvara võimekuse arvestamist.

Siin on mõned peamised jõudluse optimeerimise tehnikad:

• Ümbritsevate mahtude hierarhiad (BVH-d): Kasutage BVH-sid või muid ruumilise kiirenduse struktuure, et vähendada kiirte ja stseeni lõikumise testide arvu.
• Kiirte pakkimine: Töödelge kiiri pakkidena, et parandada GPU kasutust.
• Adaptiivne sämplimine: Kasutage adaptiivse sämplimise tehnikaid, et koondada arvutusressursid pildi piirkondadele, mis nõuavad rohkem sämpleid.
• Müra eemaldamine: Rakendage müra eemaldamise algoritme, et vähendada müra renderdatud piltides, võimaldades vähem sämpleid piksli kohta. Ajutine akumulatsioon võib samuti aidata lõplikku pilti müravabamaks muuta.
• Riistvaraline kiirendus: Kasutage riistvaralisi kiirtejälituse laiendusi, kui need on saadaval.
• Madalam eraldusvõime: Renderdage madalama eraldusvõimega ja skaleerige pilt üles, et parandada jõudlust.
• Progressiivne renderdamine: Kasutage progressiivset renderdamist, et kuvada kiiresti esialgne madala kvaliteediga pilt ja seejärel seda järk-järgult aja jooksul täiustada.
• Varjutajate optimeerimine: Hoolikalt optimeerige varjutajakoodi, et vähendada varjutamisarvutuste arvutuskulu.

Väljakutsed ja tulevikusuunad

Kuigi WebGL kiirtejälituse ja globaalse valgustuse potentsiaal on tohutu, on endiselt mitmeid väljakutseid:

• Riistvaranõuded: Kiirtejälituse jõudlus sõltub suuresti aluseks olevast riistvarast. Kõik seadmed ei toeta riistvaralist kiirtejälitust ja jõudlus võib erinevate GPU-de vahel oluliselt erineda.
• Keerukus: Kiirtejälituse algoritmide rakendamine ja nende integreerimine olemasolevatesse WebGL-i rakendustesse võib olla keeruline ja aeganõudev.
• Jõudluse optimeerimine: Reaalajas jõudluse saavutamine nõuab märkimisväärset pingutust optimeerimisel ja riistvarapiirangute hoolikat arvestamist.
• Brauseri tugi: Ühtlane brauserite tugi kiirtejälituse laiendustele on laialdaseks kasutuselevõtuks ülioluline.

Nendest väljakutsetest hoolimata on WebGL kiirtejälituse tulevik paljulubav. Riist- ja tarkvara arenedes võime oodata, et veebirakendustesse lisatakse üha keerukamaid ja jõudlusvõimelisemaid kiirtejälituse tehnikaid. WebGPU mängib selle teoks saamisel tõenäoliselt suurt rolli.

Tulevane teadus- ja arendustegevus selles valdkonnas võib keskenduda:

• Täiustatud kiirtejälituse algoritmid: Tõhusamate ja robustsemate kiirtejälituse algoritmide arendamine, mis sobivad hästi veebipõhistesse keskkondadesse.
• Täiustatud müra eemaldamise tehnikad: Tõhusamate müra eemaldamise algoritmide loomine, mis suudavad vähendada müra kiirtejälitusega piltides minimaalse jõudlusmõjuga.
• Automaatne optimeerimine: Tööriistade ja tehnikate arendamine kiirtejälituse jõudluse automaatseks optimeerimiseks vastavalt riistvara võimekusele ja stseeni keerukusele.
• Integratsioon tehisintellektiga: Tehisintellekti ja masinõppe kasutamine kiirtejälituse jõudluse ja kvaliteedi parandamiseks, näiteks tehisintellekti abil müra eemaldamise kiirendamine või stseeni intelligentne sämplimine.

Kokkuvõte

WebGL kiirtejälitus ja globaalne valgustus on oluline samm füüsikaliselt täpse valgustuse saavutamise suunas veebirakendustes. Kasutades kiirtejälituse ja PBR-i võimsust, saavad arendajad luua realistlikumaid ja kaasahaaravamaid 3D-kogemusi, mis kunagi olid võimalikud ainult võrguühenduseta renderdamiskeskkondades. Kuigi väljakutsed püsivad, sillutavad pidevad edusammud riist- ja tarkvaras teed tulevikule, kus reaalajas kiirtejälitusest saab veebigraafika standardfunktsioon. Tehnoloogia küpsedes võime oodata uut lainet visuaalselt vapustavaid ja interaktiivseid veebirakendusi, mis hägustavad piiri virtuaalse ja reaalse maailma vahel. Alates interaktiivsetest tootekonfiguraatoritest ja arhitektuursetest visualiseerimistest kuni kaasahaaravate mängukogemuste ja virtuaalreaalsuse rakendusteni on WebGL kiirtejälitusel ja globaalsel valgustusel potentsiaali revolutsioneerida seda, kuidas me veebis 3D-sisuga suhtleme.