افزونه‌های رهگیری پرتو در WebGL: آزادسازی رهگیری پرتو با شتاب‌دهنده سخت‌افزاری در وب

سال‌هاست که رهگیری پرتو به عنوان جام مقدس گرافیک کامپیوتری شناخته می‌شود و وعده تصاویر فوتورئالیستی با نورپردازی، بازتاب‌ها و سایه‌های دقیق را می‌دهد. در حالی که به دلیل شدت محاسباتی، به طور سنتی برای رندرینگ آفلاین استفاده می‌شد، پیشرفت‌های اخیر در سخت‌افزار، رهگیری پرتو بی‌درنگ را به واقعیت تبدیل کرده است. اکنون، با ظهور افزونه‌های رهگیری پرتو در WebGL، این فناوری قدرتمند آماده است تا گرافیک مبتنی بر وب را متحول کند.

رهگیری پرتو چیست؟

رهگیری پرتو یک تکنیک رندرینگ است که نحوه تعامل نور با اشیاء در یک صحنه را شبیه‌سازی می‌کند. به جای شطرنجی‌سازی (rasterization) چندضلعی‌ها، رهگیری پرتو مسیر پرتوهای نور را از دوربین دنبال می‌کند و آنها را در صحنه ردیابی می‌کند تا زمانی که با اشیاء برخورد کنند. با محاسبه رنگ و شدت هر پرتو، رهگیری پرتو تصاویری با نورپردازی، بازتاب‌ها و سایه‌های واقع‌گرایانه تولید می‌کند.

برخلاف شطرنجی‌سازی که این جلوه‌ها را تقریب می‌زند، رهگیری پرتو نمایش دقیق‌تری از نظر فیزیکی از انتقال نور ارائه می‌دهد که منجر به تصاویر خیره‌کننده می‌شود. با این حال، این دقت هزینه محاسباتی قابل توجهی دارد که رهگیری پرتو بی‌درنگ را به یک چالش تبدیل می‌کند.

ظهور رهگیری پرتو با شتاب‌دهنده سخت‌افزاری

برای غلبه بر محدودیت‌های محاسباتی رهگیری پرتو سنتی، تولیدکنندگان کارت‌های گرافیک سخت‌افزار اختصاصی برای تسریع محاسبات رهگیری پرتو توسعه داده‌اند. فناوری‌هایی مانند RTX انویدیا و سری Radeon RX ای‌ام‌دی شامل هسته‌های تخصصی رهگیری پرتو هستند که به طور قابل توجهی عملکرد را افزایش می‌دهند و رهگیری پرتو بی‌درنگ را ممکن می‌سازند.

این پیشرفت‌های سخت‌افزاری راه را برای تکنیک‌های رندرینگ جدیدی هموار کرده‌اند که از رهگیری پرتو برای دستیابی به سطوح بی‌سابقه‌ای از واقع‌گرایی استفاده می‌کنند. بازی‌ها، شبیه‌سازی‌ها و سایر برنامه‌ها اکنون بازتاب‌ها، سایه‌ها، نورپردازی عمومی (global illumination) و موارد دیگر را با رهگیری پرتو ترکیب می‌کنند و تجربیات بصری خیره‌کننده و همه‌جانبه‌ای ایجاد می‌کنند.

افزونه‌های رهگیری پرتو WebGL: آوردن رهگیری پرتو به وب

WebGL، که API استاندارد برای رندرینگ گرافیک‌های تعاملی دو بعدی و سه بعدی در مرورگرهای وب است، به طور سنتی بر شطرنجی‌سازی تکیه داشته است. با این حال، با معرفی افزونه‌های رهگیری پرتو، WebGL اکنون قادر است از قدرت رهگیری پرتو با شتاب‌دهنده سخت‌افزاری بهره‌مند شود. این امر دنیایی از امکانات را برای گرافیک مبتنی بر وب باز می‌کند و به توسعه‌دهندگان امکان می‌دهد تا تجربیات واقع‌گرایانه‌تر و جذاب‌تری را مستقیماً در مرورگر ایجاد کنند.

این افزونه‌ها مکانیزمی برای دسترسی به سخت‌افزار رهگیری پرتو از طریق جاوا اسکریپت و GLSL (زبان سایه‌زنی OpenGL)، زبان سایه‌زنی مورد استفاده توسط WebGL، فراهم می‌کنند. با بهره‌گیری از این افزونه‌ها، توسعه‌دهندگان می‌توانند رهگیری پرتو را در برنامه‌های وب خود ادغام کرده و از مزایای عملکردی سخت‌افزار اختصاصی رهگیری پرتو بهره‌مند شوند.

افزونه‌های کلیدی رهگیری پرتو WebGL:

• GL_EXT_ray_tracing: این افزونه اصلی، بنیان رهگیری پرتو در WebGL را فراهم می‌کند و توابع و ساختارهای داده بنیادی رهگیری پرتو را تعریف می‌کند. این افزونه به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد تا ساختارهای شتاب‌دهی ایجاد کنند، پرتوها را پرتاب کنند و به نتایج رهگیری پرتو دسترسی داشته باشند.
• GL_EXT_acceleration_structure: این افزونه ساختارهای شتاب‌دهی را تعریف می‌کند که ساختارهای داده سلسله مراتبی هستند و برای برخورد کارآمد پرتوها با هندسه صحنه استفاده می‌شوند. ساخت و مدیریت ساختارهای شتاب‌دهی یک گام حیاتی در رهگیری پرتو است، زیرا به طور قابل توجهی بر عملکرد تأثیر می‌گذارد.
• GL_EXT_ray_query: این افزونه مکانیزمی برای پرس‌وجو از نتایج رهگیری پرتو، مانند فاصله برخورد، هندسه برخورد کرده و نرمال سطح در نقطه برخورد، فراهم می‌کند. این اطلاعات برای محاسبات سایه‌زنی و نورپردازی ضروری است.

مزایای رهگیری پرتو در WebGL

معرفی افزونه‌های رهگیری پرتو به WebGL چندین مزیت قابل توجه را ارائه می‌دهد:

• کیفیت بصری بهبود یافته: رهگیری پرتو رندرینگ واقع‌گرایانه‌تر بازتاب‌ها، سایه‌ها و نورپردازی عمومی را ممکن می‌سازد که منجر به تجربیات وب بصری خیره‌کننده و همه‌جانبه می‌شود.
• عملکرد بهبود یافته: رهگیری پرتو با شتاب‌دهنده سخت‌افزاری افزایش عملکرد قابل توجهی را در مقایسه با تکنیک‌های سنتی مبتنی بر شطرنجی‌سازی فراهم می‌کند و امکان ایجاد صحنه‌های پیچیده‌تر و با جزئیات بیشتر را می‌دهد.
• امکانات خلاقانه جدید: رهگیری پرتو امکانات خلاقانه جدیدی را برای توسعه‌دهندگان وب باز می‌کند و به آنها امکان می‌دهد تا برنامه‌های نوآورانه و بصری جذابی را ایجاد کنند که قبلاً غیرممکن بود.
• سازگاری بین پلتفرمی: WebGL یک API بین پلتفرمی است، به این معنی که برنامه‌های رهگیری پرتو توسعه‌یافته با استفاده از WebGL بر روی هر دستگاهی با مرورگر و سخت‌افزار سازگار اجرا خواهند شد.
• دسترس‌پذیری: WebGL یک پلتفرم راحت و در دسترس برای استقرار برنامه‌های رهگیری پرتو فراهم می‌کند، زیرا کاربران می‌توانند به سادگی از طریق یک مرورگر وب و بدون نیاز به نصب هیچ نرم‌افزار اضافی به آنها دسترسی پیدا کنند.

کاربردهای رهگیری پرتو در WebGL

رهگیری پرتو در WebGL طیف گسترده‌ای از کاربردهای بالقوه در صنایع مختلف دارد:

• بازی‌سازی: رهگیری پرتو می‌تواند وفاداری بصری بازی‌های مبتنی بر وب را افزایش دهد و تجربیات بازی همه‌جانبه‌تر و واقع‌گرایانه‌تری ایجاد کند. تصور کنید در حال بازی یک شوتر اول شخص با بازتاب‌ها و سایه‌های رهگیری شده با پرتو هستید یا در حال کاوش یک دنیای مجازی با نورپردازی عمومی واقع‌گرایانه.
• تجسم محصول: رهگیری پرتو می‌تواند برای ایجاد رندرهای واقع‌گرایانه از محصولات استفاده شود و به مشتریان امکان می‌دهد تا آنها را قبل از خرید با جزئیات مشاهده کنند. به عنوان مثال، یک فروشنده مبلمان می‌تواند از رهگیری پرتو برای نمایش بافت‌ها و نورپردازی محصولات خود در یک نمایشگاه مجازی استفاده کند.
• تجسم معماری: معماران می‌توانند از رهگیری پرتو برای ایجاد تجسم‌های واقع‌گرایانه از ساختمان‌ها و فضاهای داخلی استفاده کنند و به مشتریان امکان دهند تا طرح‌های خود را با جزئیات بررسی کنند. این می‌تواند به مشتریان کمک کند تا طرح را بهتر درک کرده و تصمیمات آگاهانه‌ای بگیرند. تصور کنید در حال کاوش یک مدل مجازی از یک ساختمان با نورپردازی و بازتاب‌های واقع‌گرایانه هستید که به شما امکان می‌دهد فضا را قبل از ساخته شدن تجربه کنید.
• واقعیت مجازی (VR) و واقعیت افزوده (AR): رهگیری پرتو می‌تواند واقع‌گرایی تجربیات VR و AR را افزایش دهد و محیط‌های همه‌جانبه‌تر و جذاب‌تری ایجاد کند. به عنوان مثال، رهگیری پرتو می‌تواند برای ایجاد سایه‌ها و بازتاب‌های واقع‌گرایانه در یک بازی VR یا برای قرار دادن دقیق اشیاء مجازی بر روی دنیای واقعی در یک برنامه AR استفاده شود.
• تجسم علمی: رهگیری پرتو می‌تواند برای تجسم داده‌های علمی پیچیده، مانند شبیه‌سازی دینامیک سیالات یا ساختارهای مولکولی، استفاده شود. این می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا درک بهتری از داده‌های خود به دست آورند و اکتشافات جدیدی انجام دهند.
• آموزش: رهگیری پرتو می‌تواند برای ایجاد شبیه‌سازی‌های آموزشی تعاملی استفاده شود و به دانش‌آموزان امکان دهد تا مفاهیم پیچیده را به روشی بصری و جذاب کشف کنند. به عنوان مثال، یک شبیه‌سازی فیزیک می‌تواند از رهگیری پرتو برای شبیه‌سازی دقیق رفتار نور استفاده کند و به دانش‌آموزان اجازه دهد تا اصول اپتیک را تجسم کنند.

ملاحظات فنی

در حالی که رهگیری پرتو در WebGL مزایای زیادی دارد، چندین ملاحظه فنی نیز وجود دارد که باید در نظر گرفته شوند:

• نیازمندی‌های سخت‌افزاری: رهگیری پرتو به سخت‌افزار اختصاصی مانند پردازنده‌های گرافیکی سری NVIDIA RTX یا AMD Radeon RX نیاز دارد. برنامه‌هایی که از رهگیری پرتو استفاده می‌کنند بر روی سیستم‌های فاقد این سخت‌افزار اجرا نخواهند شد یا عملکرد ضعیفی خواهند داشت.
• بهینه‌سازی عملکرد: رهگیری پرتو می‌تواند از نظر محاسباتی سنگین باشد، بنابراین بهینه‌سازی صحنه و کد رهگیری پرتو برای دستیابی به عملکرد خوب مهم است. این ممکن است شامل استفاده از تکنیک‌هایی مانند سطح جزئیات (LOD) و نمونه‌برداری تطبیقی باشد.
• مدیریت ساختار شتاب‌دهی: ساخت و مدیریت ساختارهای شتاب‌دهی برای عملکرد رهگیری پرتو حیاتی است. توسعه‌دهندگان باید به دقت در مورد انتخاب ساختار شتاب‌دهی و استراتژی به‌روزرسانی آن با تغییر صحنه فکر کنند.
• پیچیدگی شیدر: شیدرهای رهگیری پرتو می‌توانند پیچیده باشند و نیاز به درک خوبی از GLSL و الگوریتم‌های رهگیری پرتو دارند. ممکن است توسعه‌دهندگان نیاز به یادگیری تکنیک‌های جدیدی برای نوشتن شیدرهای رهگیری پرتو کارآمد و مؤثر داشته باشند.
• اشکال‌زدایی (Debugging): اشکال‌زدایی کد رهگیری پرتو می‌تواند چالش‌برانگیز باشد، زیرا شامل ردیابی مسیرهای پرتوهای منفرد است. ممکن است توسعه‌دهندگان برای شناسایی و رفع خطاها نیاز به استفاده از ابزارهای اشکال‌زدایی تخصصی داشته باشند.

مثال: پیاده‌سازی بازتاب‌های رهگیری شده با پرتو در WebGL

بیایید یک مثال ساده از نحوه پیاده‌سازی بازتاب‌های رهگیری شده با پرتو در WebGL با استفاده از افزونه‌های رهگیری پرتو را در نظر بگیریم. این مثال فرض می‌کند که شما یک صحنه WebGL پایه با یک دوربین، یک گراف صحنه و یک سیستم متریال راه‌اندازی کرده‌اید.

1. ایجاد یک ساختار شتاب‌دهی:

   ابتدا، باید یک ساختار شتاب‌دهی ایجاد کنید که هندسه صحنه را نشان دهد. این کار را می‌توان با استفاده از افزونه GL_EXT_acceleration_structure انجام داد. ساختار شتاب‌دهی برای برخورد کارآمد پرتوها با صحنه استفاده خواهد شد.

2. نوشتن یک شیدر تولید پرتو:

   سپس، باید یک شیدر تولید پرتو بنویسید که پرتوها را از دوربین پرتاب کند. این شیدر بر روی پیکسل‌های صفحه تکرار شده و برای هر پیکسل یک پرتو تولید می‌کند.

   در اینجا یک مثال ساده از یک شیدر تولید پرتو آمده است:

               #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. نوشتن یک شیدر نزدیک‌ترین برخورد:

   شما همچنین باید یک شیدر نزدیک‌ترین برخورد (closest hit) بنویسید که هنگام برخورد یک پرتو با یک شیء اجرا می‌شود. این شیدر رنگ شیء را در نقطه برخورد محاسبه کرده و آن را به عنوان مقدار برخورد برمی‌گرداند.

   در اینجا یک مثال ساده از یک شیدر نزدیک‌ترین برخورد آمده است:

               #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. راه‌اندازی پایپ‌لاین رهگیری پرتو:

   در نهایت، باید پایپ‌لاین رهگیری پرتو را راه‌اندازی کنید. این شامل اتصال ساختار شتاب‌دهی، شیدر تولید پرتو و شیدر نزدیک‌ترین برخورد، و سپس ارسال محاسبات رهگیری پرتو است.

5. پیاده‌سازی بازتاب‌ها:

   در شیدر نزدیک‌ترین برخورد، به جای اینکه صرفاً رنگ سطح را برگردانید، بردار بازتاب را محاسبه کنید. سپس، یک پرتوی جدید در جهت بازتاب پرتاب کنید تا رنگ شیء بازتاب شده را تعیین کنید. این کار نیاز به فراخوانی بازگشتی پایپ‌لاین رهگیری پرتو (با محدودیت‌هایی برای جلوگیری از حلقه‌های بی‌نهایت) یا استفاده از یک پاس جداگانه برای بازتاب‌ها دارد. رنگ نهایی ترکیبی از رنگ سطح و رنگ بازتاب شده خواهد بود.

   این یک مثال ساده است و یک پیاده‌سازی واقعی شامل محاسبات پیچیده‌تر مانند مدیریت برخوردهای متعدد، نمونه‌برداری از منابع نوری مختلف و اعمال anti-aliasing خواهد بود. به یاد داشته باشید که عملکرد را در نظر بگیرید زیرا رهگیری پرتو می‌تواند از نظر محاسباتی گران باشد.

آینده رهگیری پرتو در WebGL

رهگیری پرتو در WebGL هنوز در مراحل اولیه خود قرار دارد، اما پتانسیل تحول گرافیک مبتنی بر وب را دارد. با گسترش دسترسی به رهگیری پرتو با شتاب‌دهنده سخت‌افزاری، می‌توان انتظار داشت که برنامه‌های وب بیشتری از این فناوری استفاده کنند. این امر منجر به تجربیات وب واقع‌گرایانه‌تر و جذاب‌تر در طیف وسیعی از صنایع خواهد شد.

علاوه بر این، تلاش‌های مداوم برای توسعه و استانداردسازی در گروه کرونوس (Khronos Group)، سازمانی که مسئول WebGL است، احتمالاً منجر به بهبودهای بیشتر در API و پذیرش بیشتر توسط فروشندگان مرورگر خواهد شد. این امر باعث می‌شود رهگیری پرتو برای توسعه‌دهندگان وب در دسترس‌تر شود و رشد اکوسیستم رهگیری پرتو WebGL را تسریع بخشد.

آینده رهگیری پرتو در WebGL روشن است و می‌توان انتظار داشت که در سال‌های آینده شاهد تحولات هیجان‌انگیزتری باشیم. با بلوغ این فناوری، امکانات جدیدی برای گرافیک مبتنی بر وب باز خواهد شد و نسل جدیدی از تجربیات همه‌جانبه و بصری خیره‌کننده ایجاد خواهد کرد.

تأثیر جهانی و دسترس‌پذیری

ظهور رهگیری پرتو در WebGL پتانسیل تأثیرگذاری قابل توجهی بر دسترس‌پذیری جهانی به گرافیک با کیفیت بالا را دارد. برنامه‌های گرافیکی پیشرفته سنتی اغلب به سخت‌افزار و نرم‌افزار تخصصی نیاز دارند که دسترسی به آنها را برای افراد و سازمان‌هایی با منابع کافی محدود می‌کند.

WebGL، به عنوان یک فناوری مبتنی بر وب، رویکرد دموکراتیک‌تری را ارائه می‌دهد. تا زمانی که کاربران به یک مرورگر و سخت‌افزار سازگار دسترسی داشته باشند (که با پذیرش گرافیک‌های یکپارچه با قابلیت رهگیری پرتو روز به روز رایج‌تر می‌شود)، می‌توانند این قابلیت‌های گرافیکی پیشرفته را تجربه کنند. این امر به ویژه در مناطقی با دسترسی محدود به سخت‌افزار پیشرفته یا جایی که مجوزهای نرم‌افزار تخصصی گران هستند، سودمند است.

علاوه بر این، ماهیت بین پلتفرمی WebGL تضمین می‌کند که برنامه‌ها می‌توانند بر روی طیف گسترده‌ای از دستگاه‌ها، از کامپیوترهای رومیزی و لپ‌تاپ‌ها گرفته تا تلفن‌های همراه و تبلت‌ها، اجرا شوند. این امر دسترسی به فناوری رهگیری پرتو را گسترش داده و آن را برای مخاطبان جهانی وسیع‌تری قابل دسترس می‌کند.

با این حال، مهم است که شکاف دیجیتالی بالقوه بر اساس قابلیت‌های سخت‌افزاری را در نظر گرفت. در حالی که سخت‌افزار با قابلیت رهگیری پرتو در حال گسترش است، هنوز به طور جهانی در دسترس نیست. توسعه‌دهندگان باید تلاش کنند برنامه‌هایی بسازند که مقیاس‌پذیر باشند و بتوانند با پیکربندی‌های مختلف سخت‌افزاری سازگار شوند تا اطمینان حاصل شود که کاربرانی با دستگاه‌های ضعیف‌تر نیز می‌توانند تجربه مثبتی داشته باشند.

نتیجه‌گیری

افزونه‌های رهگیری پرتو در WebGL یک گام مهم رو به جلو در تکامل گرافیک مبتنی بر وب را نشان می‌دهند. با آوردن رهگیری پرتو با شتاب‌دهنده سخت‌افزاری به مرورگرهای وب، این افزونه‌ها دنیایی از امکانات را برای ایجاد تجربیات واقع‌گرایانه‌تر، جذاب‌تر و همه‌جانبه‌تر باز می‌کنند. در حالی که ملاحظات فنی وجود دارد که باید در نظر گرفته شوند، مزایای رهگیری پرتو در WebGL غیرقابل انکار است و می‌توان انتظار داشت که نقش مهم‌تری در آینده وب ایفا کند.

با بلوغ این فناوری و پذیرش گسترده‌تر آن، این امکان به توسعه‌دهندگان وب داده می‌شود تا برنامه‌های نوآورانه و بصری خیره‌کننده‌ای را ایجاد کنند که قبلاً غیرقابل تصور بودند. آینده گرافیک وب روشن است و رهگیری پرتو در WebGL آماده است تا یکی از محرک‌های اصلی این تکامل باشد.