رهگیری پرتو در WebGL: رهگیری پرتو بی‌درنگ با شیدرهای محاسباتی WebGL

رهگیری پرتو (Ray tracing)، یک تکنیک رندرینگ که به خاطر تصاویر فوتورئالیستی خود مشهور است، به طور سنتی از نظر محاسباتی سنگین بوده و برای فرآیندهای رندرینگ آفلاین استفاده می‌شد. با این حال، پیشرفت‌ها در فناوری GPU و معرفی شیدرهای محاسباتی (compute shaders) راه را برای رهگیری پرتو بی‌درنگ در WebGL باز کرده و گرافیک با کیفیت بالا را به برنامه‌های مبتنی بر وب آورده است. این مقاله یک راهنمای جامع برای پیاده‌سازی رهگیری پرتو بی‌درنگ با استفاده از شیدرهای محاسباتی در WebGL ارائه می‌دهد و مخاطبان جهانی از توسعه‌دهندگان علاقه‌مند به پیشبرد مرزهای گرافیک وب را هدف قرار داده است.

رهگیری پرتو چیست؟

رهگیری پرتو نحوه حرکت نور در دنیای واقعی را شبیه‌سازی می‌کند. به جای شطرنجی کردن (rasterizing) چندضلعی‌ها، رهگیری پرتو پرتوهایی را از دوربین (یا چشم) از طریق هر پیکسل روی صفحه به داخل صحنه پرتاب می‌کند. این پرتوها با اشیاء برخورد می‌کنند و بر اساس ویژگی‌های مواد آن اشیاء، رنگ پیکسل با محاسبه نحوه بازتاب و تعامل نور با سطح تعیین می‌شود. این فرآیند می‌تواند شامل بازتاب‌ها، شکست نور و سایه‌ها باشد که منجر به تصاویر بسیار واقع‌گرایانه می‌شود.

مفاهیم کلیدی در رهگیری پرتو:

• پرتو افکنی (Ray Casting): فرآیند پرتاب پرتوها از دوربین به داخل صحنه.
• آزمون‌های برخورد (Intersection Tests): تعیین اینکه یک پرتو در کجا با اشیاء صحنه برخورد می‌کند.
• نرمال‌های سطح (Surface Normals): بردارهای عمود بر سطح در نقطه برخورد که برای محاسبه بازتاب و شکست نور استفاده می‌شوند.
• ویژگی‌های مواد (Material Properties): نحوه تعامل یک سطح با نور را تعریف می‌کند (مانند رنگ، بازتابندگی، زبری).
• پرتوهای سایه (Shadow Rays): پرتوهایی که از نقطه برخورد به سمت منابع نور پرتاب می‌شوند تا مشخص شود آیا آن نقطه در سایه قرار دارد یا خیر.
• پرتوهای بازتاب و شکست (Reflection and Refraction Rays): پرتوهایی که از نقطه برخورد برای شبیه‌سازی بازتاب‌ها و شکست نور پرتاب می‌شوند.

چرا WebGL و شیدرهای محاسباتی؟

WebGL یک API چند پلتفرمی برای رندرینگ گرافیک دو بعدی و سه بعدی در مرورگر وب بدون نیاز به پلاگین فراهم می‌کند. شیدرهای محاسباتی که با WebGL 2.0 معرفی شدند، امکان محاسبات عمومی بر روی GPU را فراهم می‌کنند. این به ما اجازه می‌دهد تا از قدرت پردازش موازی GPU برای انجام محاسبات رهگیری پرتو به طور کارآمد بهره ببریم.

مزایای استفاده از WebGL برای رهگیری پرتو:

• سازگاری چند پلتفرمی: WebGL در هر مرورگر وب مدرنی، صرف نظر از سیستم عامل، کار می‌کند.
• شتاب‌دهی سخت‌افزاری: از GPU برای رندرینگ سریع استفاده می‌کند.
• بدون نیاز به پلاگین: نیاز کاربران به نصب نرم‌افزار اضافی را از بین می‌برد.
• دسترس‌پذیری: رهگیری پرتو را از طریق وب برای مخاطبان گسترده‌تری قابل دسترس می‌کند.

مزایای استفاده از شیدرهای محاسباتی:

• پردازش موازی: از معماری به شدت موازی GPUها برای محاسبات کارآمد رهگیری پرتو بهره می‌برد.
• انعطاف‌پذیری: امکان استفاده از الگوریتم‌های سفارشی و بهینه‌سازی‌های متناسب با رهگیری پرتو را فراهم می‌کند.
• دسترسی مستقیم به GPU: خط لوله رندرینگ سنتی را برای کنترل بیشتر دور می‌زند.

مرور کلی پیاده‌سازی

پیاده‌سازی رهگیری پرتو در WebGL با استفاده از شیدرهای محاسباتی شامل چندین مرحله کلیدی است:

1. راه‌اندازی زمینه WebGL: ایجاد یک زمینه WebGL و فعال کردن افزونه‌های لازم (WebGL 2.0 مورد نیاز است).
2. ایجاد شیدرهای محاسباتی: نوشتن کد GLSL برای شیدر محاسباتی که محاسبات رهگیری پرتو را انجام می‌دهد.
3. ایجاد اشیاء بافر ذخیره‌سازی شیدر (SSBOs): تخصیص حافظه روی GPU برای ذخیره داده‌های صحنه، داده‌های پرتو و تصویر نهایی.
4. اعزام شیدر محاسباتی: راه‌اندازی شیدر محاسباتی برای پردازش داده‌ها.
5. خواندن نتایج: بازیابی تصویر رندر شده از SSBO و نمایش آن روی صفحه.

مراحل دقیق پیاده‌سازی

۱. راه‌اندازی زمینه WebGL

اولین قدم ایجاد یک زمینه WebGL 2.0 است. این شامل دریافت یک عنصر canvas از HTML و سپس درخواست یک WebGL2RenderingContext است. مدیریت خطا برای اطمینان از ایجاد موفقیت‌آمیز زمینه بسیار مهم است.

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

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

              
                Copy
              
            
          

۲. ایجاد شیدرهای محاسباتی

هسته اصلی رهگیر پرتو، شیدر محاسباتی است که به زبان GLSL نوشته شده است. این شیدر مسئول پرتاب پرتوها، انجام آزمون‌های برخورد و محاسبه رنگ هر پیکسل خواهد بود. شیدر محاسباتی بر روی شبکه‌ای از گروه‌های کاری (workgroups) عمل می‌کند که هر کدام ناحیه کوچکی از تصویر را پردازش می‌کنند.

در اینجا یک مثال ساده از یک شیدر محاسباتی آورده شده است که یک رنگ پایه را بر اساس مختصات پیکسل محاسبه می‌کند:

            #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
              
            
          

این شیدر یک اندازه گروه کاری ۸×۸، یک بافر خروجی به نام `pixels` و یک متغیر یونیفرم برای وضوح صفحه تعریف می‌کند. هر آیتم کاری (پیکسل) رنگ خود را بر اساس موقعیتش محاسبه کرده و آن را در بافر خروجی می‌نویسد.

۳. ایجاد اشیاء بافر ذخیره‌سازی شیدر (SSBOs)

SSBOها برای ذخیره داده‌هایی استفاده می‌شوند که بین CPU و GPU به اشتراک گذاشته می‌شوند. در این مورد، ما از SSBOها برای ذخیره داده‌های صحنه (مانند رئوس مثلث‌ها، ویژگی‌های مواد)، داده‌های پرتو و تصویر نهایی رندر شده استفاده خواهیم کرد. SSBO را ایجاد کنید، آن را به یک نقطه اتصال (binding point) متصل کنید و آن را با داده‌های اولیه پر کنید.

            // 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
              
            
          

۴. اعزام شیدر محاسباتی

برای اجرای شیدر محاسباتی، باید آن را اعزام کنیم. این شامل مشخص کردن تعداد گروه‌های کاری برای راه‌اندازی در هر بعد است. تعداد گروه‌های کاری با تقسیم تعداد کل پیکسل‌ها بر اندازه گروه کاری تعریف شده در شیدر تعیین می‌شود.

            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` شیدر محاسباتی را راه‌اندازی می‌کند. `gl.memoryBarrier` تضمین می‌کند که GPU نوشتن در SSBO را قبل از اینکه CPU تلاش کند از آن بخواند، به پایان رسانده است.

۵. خواندن نتایج

پس از اتمام اجرای شیدر محاسباتی، باید تصویر رندر شده را از SSBO به CPU بازخوانی کنیم. این شامل ایجاد یک بافر در CPU و سپس استفاده از `gl.getBufferSubData` برای کپی کردن داده‌ها از SSBO به بافر CPU است. در نهایت، با استفاده از داده‌ها یک عنصر تصویر ایجاد کنید.

            // 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
              
            
          

نمایش صحنه و ساختارهای شتاب‌دهی

یک جنبه حیاتی از رهگیری پرتو، یافتن کارآمد نقاط برخورد بین پرتوها و اشیاء در صحنه است. آزمون‌های برخورد با روش جستجوی فراگیر (brute-force)، که در آن هر پرتو با هر شیء آزمایش می‌شود، از نظر محاسباتی پرهزینه است. برای بهبود عملکرد، از ساختارهای شتاب‌دهی (acceleration structures) برای سازماندهی داده‌های صحنه و حذف سریع اشیائی که احتمال برخورد با یک پرتوی خاص را ندارند، استفاده می‌شود.

ساختارهای شتاب‌دهی رایج:

• سلسله‌مراتب حجم‌های مرزی (BVH): یک ساختار درختی سلسله‌مراتبی که در آن هر گره نشان‌دهنده یک حجم مرزی است که مجموعه‌ای از اشیاء را در بر می‌گیرد. این امکان را فراهم می‌کند تا بخش‌های بزرگی از صحنه به سرعت رد شوند.
• درخت Kd (Kd-Tree): یک ساختار داده تقسیم‌بندی فضا که به طور بازگشتی صحنه را به مناطق کوچکتر تقسیم می‌کند.
• هشینگ فضایی (Spatial Hashing): صحنه را به شبکه‌ای از سلول‌ها تقسیم می‌کند و اشیاء را در سلول‌هایی که با آنها تلاقی دارند، ذخیره می‌کند.

برای رهگیری پرتو در WebGL، BVHها به دلیل سهولت نسبی پیاده‌سازی و عملکرد خوب، اغلب انتخاب ترجیحی هستند. پیاده‌سازی یک BVH شامل مراحل زیر است:

1. محاسبه جعبه مرزی: محاسبه جعبه مرزی برای هر شیء در صحنه (مانند مثلث‌ها).
2. ساخت درخت: تقسیم بازگشتی صحنه به جعبه‌های مرزی کوچکتر تا زمانی که هر گره برگ حاوی تعداد کمی از اشیاء باشد. معیارهای تقسیم رایج شامل نقطه میانی طولانی‌ترین محور یا هیوریستیک مساحت سطح (SAH) است.
3. پیمایش: پیمایش BVH در طول رهگیری پرتو، با شروع از گره ریشه. اگر پرتو با جعبه مرزی یک گره برخورد کند، فرزندان آن را به طور بازگشتی پیمایش کنید. اگر پرتو با یک گره برگ برخورد کند، آزمون‌های برخورد را روی اشیاء موجود در آن گره انجام دهید.

مثالی از ساختار BVH در GLSL (ساده شده):

            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
              
            
          

برخورد پرتو-مثلث

اساسی‌ترین آزمون برخورد در رهگیری پرتو، برخورد پرتو-مثلث است. الگوریتم‌های متعددی برای انجام این آزمون وجود دارد، از جمله الگوریتم Möller–Trumbore که به دلیل کارایی و سادگی آن به طور گسترده استفاده می‌شود.

الگوریتم Möller–Trumbore:

الگوریتم Möller–Trumbore نقطه برخورد یک پرتو با یک مثلث را با حل یک سیستم معادلات خطی محاسبه می‌کند. این شامل محاسبه مختصات باری‌سنتریک است که موقعیت نقطه برخورد را در داخل مثلث تعیین می‌کند. اگر مختصات باری‌سنتریک در محدوده [0, 1] باشند و مجموع آنها کمتر یا مساوی 1 باشد، پرتو با مثلث برخورد می‌کند.

مثال کد GLSL:

            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
              
            
          

سایه‌زنی و نورپردازی

پس از یافتن نقطه برخورد، مرحله بعدی محاسبه رنگ پیکسل است. این شامل تعیین نحوه تعامل نور با سطح در نقطه برخورد است. مدل‌های سایه‌زنی رایج عبارتند از:

• سایه‌زنی فونگ (Phong Shading): یک مدل سایه‌زنی ساده که اجزای پراکنده (diffuse) و بازتابی (specular) نور را محاسبه می‌کند.
• سایه‌زنی بلین-فونگ (Blinn-Phong Shading): بهبودی بر سایه‌زنی فونگ که از یک بردار میانی برای محاسبه جزء بازتابی استفاده می‌کند.
• رندرینگ مبتنی بر فیزیک (PBR): یک مدل سایه‌زنی واقع‌گرایانه‌تر که ویژگی‌های فیزیکی مواد را در نظر می‌گیرد.

رهگیری پرتو امکان افکت‌های نورپردازی پیشرفته‌تری نسبت به شطرنجی‌سازی را فراهم می‌کند، مانند روشنایی سراسری (global illumination)، بازتاب‌ها و شکست نور. این افکت‌ها را می‌توان با پرتاب پرتوهای اضافی از نقطه برخورد پیاده‌سازی کرد.

مثال: محاسبه نور پراکنده

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

            

              
                Copy
              
            
          

ملاحظات عملکرد و بهینه‌سازی‌ها

رهگیری پرتو از نظر محاسباتی سنگین است و دستیابی به عملکرد بی‌درنگ در WebGL نیازمند بهینه‌سازی دقیق است. در اینجا برخی از تکنیک‌های کلیدی آورده شده است:

• ساختارهای شتاب‌دهی: همانطور که قبلاً ذکر شد، استفاده از ساختارهای شتاب‌دهی مانند BVH برای کاهش تعداد آزمون‌های برخورد بسیار مهم است.
• خاتمه زودهنگام پرتو: پرتوهایی را که سهم قابل توجهی در تصویر نهایی ندارند، زودتر خاتمه دهید. به عنوان مثال، پرتوهای سایه را می‌توان به محض برخورد با یک شیء خاتمه داد.
• نمونه‌برداری تطبیقی: از تعداد متغیری از نمونه‌ها برای هر پیکسل، بسته به پیچیدگی صحنه، استفاده کنید. مناطقی با جزئیات بالا یا نورپردازی پیچیده را می‌توان با نمونه‌های بیشتری رندر کرد.
• کاهش نویز (Denoising): از الگوریتم‌های کاهش نویز برای کاهش نویز در تصویر رندر شده استفاده کنید، که امکان استفاده از نمونه‌های کمتری برای هر پیکسل را فراهم می‌کند.
• بهینه‌سازی‌های شیدر محاسباتی: کد شیدر محاسباتی را با به حداقل رساندن دسترسی به حافظه، استفاده از عملیات برداری و اجتناب از انشعاب بهینه کنید.
• تنظیم اندازه گروه کاری: با اندازه‌های مختلف گروه کاری آزمایش کنید تا پیکربندی بهینه را برای GPU هدف پیدا کنید.
• استفاده از رهگیری پرتو سخت‌افزاری (در صورت وجود): برخی از GPUها اکنون سخت‌افزار اختصاصی برای رهگیری پرتو ارائه می‌دهند. افزونه‌هایی را که این قابلیت را در WebGL در دسترس قرار می‌دهند، بررسی و استفاده کنید.

مثال‌ها و کاربردهای جهانی

رهگیری پرتو در WebGL کاربردهای بالقوه متعددی در صنایع مختلف در سراسر جهان دارد:

• بازی: افزایش کیفیت بصری بازی‌های مبتنی بر وب با نورپردازی، بازتاب‌ها و سایه‌های واقع‌گرایانه.
• تجسم محصول: ایجاد مدل‌های سه‌بعدی تعاملی از محصولات با رندرینگ فوتورئالیستی برای تجارت الکترونیک و بازاریابی. به عنوان مثال، یک شرکت مبلمان در سوئد می‌تواند به مشتریان اجازه دهد تا مبلمان را در خانه‌های خود با نورپردازی و بازتاب‌های دقیق تجسم کنند.
• تجسم معماری: تجسم طرح‌های معماری با نورپردازی و مواد واقع‌گرایانه. یک شرکت معماری در دبی می‌تواند از رهگیری پرتو برای نمایش طرح‌های ساختمانی با شبیه‌سازی دقیق نور خورشید و سایه استفاده کند.
• واقعیت مجازی (VR) و واقعیت افزوده (AR): بهبود واقع‌گرایی تجربیات VR و AR با گنجاندن افکت‌های رهگیری پرتو. به عنوان مثال، یک موزه در لندن می‌تواند یک تور VR با جزئیات بصری بهبود یافته از طریق رهگیری پرتو ارائه دهد.
• تجسم علمی: تجسم داده‌های علمی پیچیده با تکنیک‌های رندرینگ واقع‌گرایانه. یک آزمایشگاه تحقیقاتی در ژاپن می‌تواند از رهگیری پرتو برای تجسم ساختارهای مولکولی با نورپردازی و سایه‌های دقیق استفاده کند.
• آموزش: توسعه ابزارهای آموزشی تعاملی که اصول اپتیک و انتقال نور را نشان می‌دهند.

چالش‌ها و مسیرهای آینده

در حالی که رهگیری پرتو بی‌درنگ در WebGL به طور فزاینده‌ای امکان‌پذیر می‌شود، چندین چالش باقی مانده است:

• عملکرد: دستیابی به نرخ فریم بالا با صحنه‌های پیچیده هنوز یک چالش است.
• پیچیدگی: پیاده‌سازی یک رهگیر پرتو کامل نیاز به تلاش برنامه‌نویسی قابل توجهی دارد.
• پشتیبانی سخت‌افزاری: همه GPUها از افزونه‌های لازم برای شیدرهای محاسباتی یا رهگیری پرتو سخت‌افزاری پشتیبانی نمی‌کنند.

مسیرهای آینده برای رهگیری پرتو در WebGL عبارتند از:

• پشتیبانی سخت‌افزاری بهبود یافته: با مجهز شدن GPUهای بیشتر به سخت‌افزار اختصاصی رهگیری پرتو، عملکرد به طور قابل توجهی بهبود خواهد یافت.
• APIهای استاندارد شده: توسعه APIهای استاندارد شده برای رهگیری پرتو سخت‌افزاری در WebGL فرآیند پیاده‌سازی را ساده‌تر خواهد کرد.
• تکنیک‌های پیشرفته کاهش نویز: الگوریتم‌های پیچیده‌تر کاهش نویز امکان ایجاد تصاویر با کیفیت بالاتر با نمونه‌های کمتر را فراهم می‌کنند.
• ادغام با WebAssembly (Wasm): استفاده از WebAssembly برای پیاده‌سازی بخش‌های سنگین محاسباتی رهگیر پرتو می‌تواند عملکرد را بهبود بخشد.

نتیجه‌گیری

رهگیری پرتو بی‌درنگ در WebGL با استفاده از شیدرهای محاسباتی یک زمینه به سرعت در حال تحول است که پتانسیل ایجاد انقلابی در گرافیک وب را دارد. با درک اصول رهگیری پرتو، بهره‌گیری از قدرت شیدرهای محاسباتی و به کارگیری تکنیک‌های بهینه‌سازی، توسعه‌دهندگان می‌توانند تجربیات بصری خیره‌کننده‌ای ایجاد کنند که زمانی در یک مرورگر وب غیرممکن تلقی می‌شد. با ادامه بهبود سخت‌افزار و نرم‌افزار، می‌توان انتظار داشت که در سال‌های آینده شاهد کاربردهای چشمگیرتری از رهگیری پرتو در وب باشیم که برای مخاطبان جهانی از هر دستگاهی با یک مرورگر مدرن قابل دسترس است.

این راهنما یک مرور جامع از مفاهیم و تکنیک‌های دخیل در پیاده‌سازی رهگیری پرتو بی‌درنگ در WebGL ارائه کرده است. ما توسعه‌دهندگان در سراسر جهان را تشویق می‌کنیم که با این تکنیک‌ها آزمایش کنند و به پیشرفت گرافیک وب کمک کنند.