ساختار شتاب‌دهی رهگیری پرتو در WebGL: سازمان‌دهی داده‌های فضایی برای کاربردهای سه‌بعدی جهانی

رهگیری پرتو (Raytracing) یک تکنیک رندرینگ قدرتمند است که رفتار نور در دنیای واقعی را شبیه‌سازی می‌کند. این تکنیک با ردیابی مسیر پرتوهای نور در یک صحنه، تصاویر فوتورئالیستی تولید می‌کند. اگرچه رهگیری پرتو کیفیت بصری فوق‌العاده‌ای ارائه می‌دهد، اما از نظر محاسباتی بسیار سنگین است. برای دستیابی به نرخ فریم لحظه‌ای یا تعاملی، به‌ویژه در برنامه‌های WebGL مبتنی بر مرورگر، ساختارهای شتاب‌دهی ضروری هستند. این مقاله مفاهیم بنیادی ساختارهای شتاب‌دهی مورد استفاده در رهگیری پرتو WebGL را با تمرکز بر سازمان‌دهی داده‌های فضایی و تأثیر آن بر عملکرد بررسی می‌کند.

نیاز به ساختارهای شتاب‌دهی

بدون ساختارهای شتاب‌دهی، رهگیری پرتو شامل بررسی برخورد هر پرتو با تمام اشیاء موجود در صحنه است. این رویکرد brute-force (جستجوی فراگیر) منجر به پیچیدگی O(n) برای هر پرتو می‌شود که در آن 'n' تعداد عناصر اولیه (مثلث‌ها، کره‌ها و غیره) در صحنه است. برای صحنه‌های پیچیده با میلیون‌ها عنصر اولیه، این روش بسیار پرهزینه می‌شود.

ساختارهای شتاب‌دهی این مشکل را با سازمان‌دهی هندسه صحنه به گونه‌ای حل می‌کنند که به ما امکان می‌دهد به سرعت بخش‌های بزرگی از صحنه را که احتمال برخورد با یک پرتو خاص در آنها کم است، نادیده بگیریم. آنها تعداد تست‌های برخورد پرتو-عنصر اولیه را کاهش می‌دهند و عملکرد رندرینگ را به شدت بهبود می‌بخشند. تصور کنید به دنبال کتاب خاصی در یک کتابخانه هستید. بدون یک فهرست (یک ساختار شتاب‌دهی)، باید هر کتاب را در هر قفسه بررسی کنید. یک فهرست به شما امکان می‌دهد تا به سرعت بخش مربوطه را پیدا کرده و کتاب را به طور کارآمد بیابید. ساختارهای شتاب‌دهی نقش مشابهی در رهگیری پرتو ایفا می‌کنند.

ساختارهای شتاب‌دهی رایج

انواع مختلفی از ساختارهای شتاب‌دهی معمولاً در رهگیری پرتو استفاده می‌شوند. رایج‌ترین آنها سلسله‌مراتب حجم‌های محصورکننده (BVH) است، اما موارد دیگری مانند درختان k-d و شبکه‌های یکنواخت نیز به کار می‌روند. این مقاله به دلیل انعطاف‌پذیری و کارایی BVH در مدیریت صحنه‌های متنوع، بر روی آن تمرکز دارد.

سلسله‌مراتب حجم‌های محصورکننده (BVH)

BVH یک ساختار داده درختی است که در آن هر گره نشان‌دهنده یک حجم محصورکننده است که مجموعه‌ای از عناصر اولیه را در بر می‌گیرد. گره ریشه کل صحنه را در بر می‌گیرد و هر گره داخلی زیرمجموعه‌ای از هندسه صحنه را محصور می‌کند. گره‌های برگ حاوی ارجاع به عناصر اولیه واقعی (مانند مثلث‌ها) هستند.

اصل اساسی یک BVH این است که یک پرتو را با حجم محصورکننده یک گره آزمایش می‌کند. اگر پرتو با حجم محصورکننده برخورد نکند، پس نمی‌تواند با هیچ‌یک از عناصر اولیه موجود در آن گره برخورد کند و می‌توانیم از پیمایش آن زیردرخت صرف‌نظر کنیم. اگر پرتو با حجم محصورکننده برخورد کند، به صورت بازگشتی گره‌های فرزند را پیمایش می‌کنیم تا به گره‌های برگ برسیم، جایی که تست‌های برخورد پرتو-عنصر اولیه را انجام می‌دهیم.

ساخت BVH:

ساخت یک BVH یک مرحله حیاتی است که به طور قابل توجهی بر عملکرد آن تأثیر می‌گذارد. یک BVH خوب ساخته شده، تعداد تست‌های برخورد پرتو-حجم محصورکننده را به حداقل می‌رساند. دو رویکرد اصلی برای ساخت BVH وجود دارد: از بالا به پایین و از پایین به بالا.

• ساخت از بالا به پایین: این رویکرد از گره ریشه شروع می‌شود و به صورت بازگشتی آن را تقسیم می‌کند تا زمانی که معیارهای توقف خاصی برآورده شوند. فرآیند تقسیم معمولاً شامل انتخاب یک صفحه تقسیم است که عناصر اولیه را به دو گروه تقسیم می‌کند. انتخاب صفحه تقسیم بسیار مهم است. استراتژی‌های رایج عبارتند از:
• تقسیم بر اساس میانه فضایی (Spatial Median Split): عناصر اولیه را بر اساس موقعیت فضایی آنها در امتداد یک محور (مانند X، Y یا Z) تقسیم می‌کند. این یک روش ساده و سریع است اما ممکن است همیشه به درختان متعادل منجر نشود.
• تقسیم بر اساس میانه اشیاء (Object Median Split): عناصر اولیه را بر اساس میانه مرکز ثقل آنها تقسیم می‌کند. این روش اغلب درختان متعادل‌تری نسبت به تقسیم بر اساس میانه فضایی تولید می‌کند.
• هیوریستیک مساحت سطح (SAH): این یک رویکرد پیچیده‌تر است که هزینه پیمایش درخت را بر اساس مساحت سطح حجم‌های محصورکننده تخمین می‌زند. هدف SAH به حداقل رساندن هزینه پیمایش مورد انتظار با انتخاب صفحه‌ی تقسیمی است که منجر به کمترین هزینه کلی می‌شود. SAH به طور کلی کارآمدترین BVHها را تولید می‌کند، اما ساخت آن نیز از نظر محاسباتی پرهزینه‌ترین است.
• ساخت از پایین به بالا: این رویکرد با عناصر اولیه به عنوان گره‌های برگ شروع می‌شود و به طور مکرر آنها را در حجم‌های محصورکننده بزرگ‌تر ادغام می‌کند تا زمانی که یک گره ریشه واحد تشکیل شود. این روش برای BVHهای رهگیری پرتو کمتر رایج است اما می‌تواند در صحنه‌های پویا که هندسه به طور مکرر تغییر می‌کند، مفید باشد.

معیارهای توقف:

فرآیند تقسیم تا زمانی ادامه می‌یابد که یک معیار توقف برآورده شود. معیارهای توقف رایج عبارتند از:

• حداکثر عمق درخت: عمق درخت را برای جلوگیری از استفاده بیش از حد از حافظه یا سربار پیمایش محدود می‌کند.
• حداقل تعداد عناصر اولیه در هر گره: تقسیم یک گره را زمانی متوقف می‌کند که حاوی تعداد کمی از عناصر اولیه باشد. یک مقدار معمول 1 تا 4 عنصر اولیه است.
• آستانه هزینه: تقسیم یک گره را زمانی متوقف می‌کند که هزینه تخمینی تقسیم بیشتر از یک آستانه خاص فراتر رود.

پیمایش BVH:

الگوریتم پیمایش BVH یک فرآیند بازگشتی است که به طور کارآمد تعیین می‌کند کدام عناصر اولیه در صحنه توسط یک پرتو خاص قطع می‌شوند. الگوریتم از گره ریشه شروع می‌شود و به صورت زیر پیش می‌رود:

1. پرتو را در برابر حجم محصورکننده گره فعلی آزمایش کنید.
2. اگر پرتو با حجم محصورکننده برخورد نکند، پیمایش برای آن گره و زیردرخت آن متوقف می‌شود.
3. اگر پرتو با حجم محصورکننده برخورد کند، الگوریتم به صورت بازگشتی گره‌های فرزند را پیمایش می‌کند.
4. هنگامی که به یک گره برگ می‌رسیم، الگوریتم تست‌های برخورد پرتو-عنصر اولیه را برای هر عنصر اولیه موجود در آن گره برگ انجام می‌دهد.

تکنیک‌های سازمان‌دهی داده‌های فضایی

نحوه سازمان‌دهی داده‌ها در ساختار شتاب‌دهی به طور قابل توجهی بر عملکرد آن تأثیر می‌گذارد. چندین تکنیک برای بهینه‌سازی سازمان‌دهی داده‌های فضایی به کار گرفته می‌شود:

فشردگی حجم محصورکننده

حجم‌های محصورکننده فشرده‌تر، احتمال نتایج مثبت کاذب (false positives) را در طول تست‌های برخورد پرتو-حجم محصورکننده کاهش می‌دهند. یک حجم محصورکننده فشرده، هندسه محصور شده را به دقت در بر می‌گیرد و فضای خالی اطراف آن را به حداقل می‌رساند. انواع رایج حجم‌های محصورکننده عبارتند از:

• جعبه‌های محصورکننده هم‌راستا با محورها (AABBs): AABBها به دلیل سادگی و کارایی، رایج‌ترین نوع حجم محصورکننده هستند. آنها با حداقل و حداکثر مختصات خود در امتداد هر محور تعریف می‌شوند. ساخت AABBها و بررسی برخورد پرتو با آنها آسان است.
• جعبه‌های محصورکننده جهت‌دار (OBBs): OBBها نسبت به AABBها فشرده‌تر هستند، به‌ویژه برای اشیائی که با محورهای مختصات هم‌راستا نیستند. با این حال، ساخت OBBها و بررسی برخورد پرتو با آنها پرهزینه‌تر است.
• کره‌ها: ساخت کره‌ها و بررسی برخورد پرتو با آنها ساده است، اما ممکن است برای همه انواع هندسه مناسب نباشند.

انتخاب نوع حجم محصورکننده مناسب به کاربرد خاص و توازن بین فشردگی و عملکرد بستگی دارد.

ترتیب گره‌ها و چیدمان حافظه

ترتیبی که گره‌ها در حافظه ذخیره می‌شوند می‌تواند به طور قابل توجهی بر انسجام حافظه پنهان (cache coherency) و عملکرد پیمایش تأثیر بگذارد. ذخیره گره‌هایی که احتمال دسترسی همزمان به آنها وجود دارد در مکان‌های حافظه پیوسته می‌تواند استفاده از حافظه پنهان را بهبود بخشد و تأخیر دسترسی به حافظه را کاهش دهد.

تکنیک‌های رایج ترتیب گره‌ها عبارتند از:

• ترتیب عمق-اول: گره‌ها به ترتیبی که در طول یک پیمایش عمق-اول درخت بازدید می‌شوند، ذخیره می‌گردند. این رویکرد می‌تواند انسجام حافظه پنهان را برای پرتوهایی که مسیر طولانی را در درخت طی می‌کنند، بهبود بخشد.
• ترتیب سطح-اول: گره‌ها به ترتیبی که در طول یک پیمایش سطح-اول درخت بازدید می‌شوند، ذخیره می‌گردند. این رویکرد می‌تواند انسجام حافظه پنهان را برای پرتوهایی که با تعداد زیادی گره در یک سطح از درخت برخورد می‌کنند، بهبود بخشد.
• خطی‌سازی: BVH به یک آرایه مسطح خطی‌سازی می‌شود، که اغلب با استفاده از کد مورتون یا منحنی‌های پرکننده فضای مشابه انجام می‌شود. این کار می‌تواند انسجام حافظه پنهان را بهبود بخشد و پیمایش کارآمد بر روی GPUها را امکان‌پذیر سازد.

تکنیک بهینه ترتیب گره‌ها به معماری سخت‌افزار خاص و ویژگی‌های صحنه بستگی دارد.

ترتیب عناصر اولیه

ترتیبی که عناصر اولیه در گره‌های برگ ذخیره می‌شوند نیز می‌تواند بر عملکرد تأثیر بگذارد. گروه‌بندی عناصر اولیه‌ای که از نظر فضایی منسجم هستند، می‌تواند انسجام حافظه پنهان را بهبود بخشد و تعداد خطاهای حافظه پنهان (cache misses) را در طول تست‌های برخورد پرتو-عنصر اولیه کاهش دهد. تکنیک‌هایی مانند منحنی‌های پرکننده فضا (مانند ترتیب مورتون) می‌توانند برای ترتیب‌دهی عناصر اولیه بر اساس موقعیت فضایی آنها استفاده شوند.

ملاحظات WebGL

پیاده‌سازی رهگیری پرتو و ساختارهای شتاب‌دهی در WebGL چالش‌ها و ملاحظات منحصربه‌فردی را به همراه دارد:

انتقال داده و مدیریت حافظه

انتقال حجم زیادی از داده‌ها (مانند داده‌های رأس، گره‌های BVH) از جاوااسکریپت به GPU می‌تواند یک گلوگاه باشد. تکنیک‌های انتقال داده کارآمد برای دستیابی به عملکرد خوب حیاتی هستند. استفاده از آرایه‌های تایپ‌شده (مانند Float32Array، Uint32Array) و به حداقل رساندن تعداد انتقال داده‌ها می‌تواند به کاهش سربار کمک کند.

مدیریت حافظه نیز مهم است، به خصوص برای صحنه‌های بزرگ. WebGL منابع حافظه محدودی دارد و تخصیص و آزادسازی کارآمد حافظه برای جلوگیری از خطاهای کمبود حافظه ضروری است.

عملکرد شیدر

منطق رهگیری پرتو و پیمایش BVH معمولاً در شیدرها (مانند GLSL) پیاده‌سازی می‌شود. بهینه‌سازی کد شیدر برای دستیابی به عملکرد خوب حیاتی است. این شامل به حداقل رساندن تعداد دستورالعمل‌ها، استفاده از انواع داده کارآمد و اجتناب از انشعاب (branching) است.

مثال: به جای استفاده از یک دستور `if` عمومی برای بررسی برخورد پرتو-AABB، از الگوریتم بهینه‌سازی شده برخورد slab برای عملکرد بهتر استفاده کنید. الگوریتم برخورد slab به طور خاص برای AABBها طراحی شده و می‌تواند با دستورالعمل‌های کمتری پیاده‌سازی شود.

عملیات ناهمزمان

ساخت ساختار شتاب‌دهی می‌تواند یک فرآیند زمان‌بر باشد، به خصوص برای صحنه‌های بزرگ. انجام این عملیات به صورت ناهمزمان (مثلاً با استفاده از Web Workers) می‌تواند از عدم پاسخگویی مرورگر جلوگیری کند. رشته اصلی می‌تواند به رندر صحنه ادامه دهد در حالی که ساختار شتاب‌دهی در پس‌زمینه ساخته می‌شود.

WebGPU

ظهور WebGPU کنترل مستقیم‌تری بر GPU را به ارمغان می‌آورد و امکان پیاده‌سازی‌های پیچیده‌تر رهگیری پرتو را فراهم می‌کند. با ویژگی‌هایی مانند شیدرهای محاسباتی (compute shaders)، توسعه‌دهندگان می‌توانند حافظه را به طور کارآمدتری مدیریت کرده و ساختارهای شتاب‌دهی سفارشی را پیاده‌سازی کنند. این امر منجر به بهبود عملکرد در مقایسه با WebGL سنتی می‌شود.

نمونه‌های کاربردی جهانی

رهگیری پرتو در WebGL، که توسط سازمان‌دهی کارآمد داده‌های فضایی شتاب یافته است، امکانات جدیدی را برای کاربردهای مختلف جهانی باز می‌کند:

• پیکربندی‌کننده‌های تعاملی محصول: به مشتریان از سراسر جهان این امکان را می‌دهد که محصولات (مانند مبلمان، خودرو) را به صورت لحظه‌ای با رندر فوتورئالیستی سفارشی کنند. تصور کنید یک شرکت مبلمان اروپایی به کاربران در آسیا اجازه می‌دهد تا تجسم کنند که یک مبل با پارچه‌ها و شرایط نوری مختلف در اتاق نشیمن آنها چگونه به نظر می‌رسد، همه اینها در داخل یک مرورگر وب.
• تجسم معماری: به معماران و طراحان در سراسر جهان اجازه می‌دهد تا رندرهای واقع‌گرایانه از ساختمان‌ها و فضاهای داخلی را در مرورگر ایجاد و کاوش کنند. یک شرکت طراحی در استرالیا می‌تواند با مشتریان در آمریکای شمالی بر روی یک پروژه ساختمانی همکاری کند و از رهگیری پرتو WebGL برای تجسم تغییرات طراحی به صورت لحظه‌ای استفاده کند.
• تجسم علمی: مجموعه‌داده‌های علمی پیچیده (مانند اسکن‌های پزشکی، مدل‌های آب و هوایی) را به صورت سه‌بعدی با کیفیت بصری بالا تجسم می‌کند. محققان در سراسر جهان می‌توانند به صورت مشترک داده‌ها را از طریق تصاویر دقیق رهگیری شده با پرتو تحلیل کنند.
• بازی و سرگرمی: ایجاد تجربیات بازی همه‌جانبه با نورپردازی و سایه‌های واقع‌گرایانه که برای بازیکنان در سراسر جهان از طریق مرورگرهای وب آنها قابل دسترسی است.
• تجارت الکترونیک: بهبود تجربیات خرید آنلاین با ارائه تجسم‌های واقع‌گرایانه از محصولات. به عنوان مثال، یک خرده‌فروش جواهرات در هنگ کنگ می‌تواند درخشش و بازتاب الماس‌های خود را با رندر رهگیری شده با پرتو به نمایش بگذارد و به خریداران بالقوه در سراسر جهان اجازه دهد کیفیت سنگ‌های قیمتی را درک کنند.

بینش‌های عملی و بهترین شیوه‌ها

• ساختار شتاب‌دهی مناسب را انتخاب کنید: هنگام انتخاب یک ساختار شتاب‌دهی، ویژگی‌های صحنه خود (مانند استاتیک در مقابل پویا، تعداد عناصر اولیه) را در نظر بگیرید. BVHها به طور کلی انتخاب خوبی برای اکثر صحنه‌ها هستند، اما ساختارهای دیگر مانند درختان k-d یا شبکه‌های یکنواخت ممکن است برای موارد استفاده خاص مناسب‌تر باشند.
• ساخت BVH را بهینه کنید: از SAH برای BVHهای با کیفیت بالا استفاده کنید، اما استراتژی‌های تقسیم ساده‌تری مانند میانه فضایی یا میانه اشیاء را برای زمان‌های ساخت سریع‌تر، به ویژه در صحنه‌های پویا، در نظر بگیرید.
• از حجم‌های محصورکننده فشرده استفاده کنید: نوعی حجم محصورکننده را انتخاب کنید که به دقت هندسه را در بر بگیرد تا تعداد نتایج مثبت کاذب در طول تست‌های برخورد پرتو-حجم محصورکننده کاهش یابد.
• ترتیب گره‌ها را بهینه کنید: با تکنیک‌های مختلف ترتیب گره‌ها (مانند عمق-اول، سطح-اول، خطی‌سازی) آزمایش کنید تا انسجام حافظه پنهان و عملکرد پیمایش را بهبود بخشید.
• انتقال داده‌ها را به حداقل برسانید: از آرایه‌های تایپ‌شده استفاده کنید و تعداد انتقال داده‌ها بین جاوااسکریپت و GPU را به حداقل برسانید.
• کد شیدر را بهینه کنید: تعداد دستورالعمل‌ها را به حداقل برسانید، از انواع داده کارآمد استفاده کنید و از انشعاب در شیدرهای خود اجتناب کنید.
• از عملیات ناهمزمان استفاده کنید: ساخت BVH و سایر عملیات زمان‌بر را به صورت ناهمزمان انجام دهید تا از عدم پاسخگویی مرورگر جلوگیری کنید.
• از WebGPU بهره ببرید: قابلیت‌های WebGPU را برای مدیریت کارآمدتر حافظه و پیاده‌سازی‌های ساختار شتاب‌دهی سفارشی کاوش کنید.
• پروفایل و بنچمارک کنید: به طور منظم کد خود را پروفایل و بنچمارک کنید تا گلوگاه‌های عملکرد را شناسایی و بر اساس آن بهینه‌سازی کنید. از ابزارهای توسعه‌دهنده مرورگر برای تحلیل نرخ فریم، استفاده از حافظه و عملکرد شیدر استفاده کنید.

نتیجه‌گیری

ساختارهای شتاب‌دهی برای دستیابی به عملکرد رهگیری پرتو در لحظه در WebGL ضروری هستند. این ساختارها با سازمان‌دهی کارآمد داده‌های فضایی، تعداد تست‌های برخورد پرتو-عنصر اولیه را کاهش می‌دهند و رندر صحنه‌های سه‌بعدی پیچیده را ممکن می‌سازند. درک انواع مختلف ساختارهای شتاب‌دهی، تکنیک‌های سازمان‌دهی داده‌های فضایی و ملاحظات خاص WebGL برای توسعه برنامه‌های رهگیری پرتو با عملکرد بالا و قابل دسترس جهانی، حیاتی است. با ادامه تکامل WebGPU، امکانات رهگیری پرتو در مرورگر حتی بیشتر گسترش خواهد یافت و کاربردهای جدید و هیجان‌انگیزی را در صنایع مختلف امکان‌پذیر خواهد ساخت.