WebGL-säteenseuranta: Reaaliaikainen säteenseuranta WebGL Compute Shadereilla

Säteenseuranta, renderöintitekniikka, joka on tunnettu fotorealistisista kuvistaan, on perinteisesti ollut laskennallisesti raskas ja varattu offline-renderöintiprosesseihin. Kuitenkin GPU-teknologian edistysaskeleet ja compute shadereiden käyttöönotto ovat avanneet oven reaaliaikaiselle säteenseurannalle WebGL:ssä, tuoden korkealaatuista grafiikkaa verkkopohjaisiin sovelluksiin. Tämä artikkeli tarjoaa kattavan oppaan reaaliaikaisen säteenseurannan toteuttamiseen WebGL:n compute shadereilla, kohdistuen globaalille kehittäjäyleisölle, joka on kiinnostunut verkkografiikan rajojen rikkomisesta.

Mitä on säteenseuranta?

Säteenseuranta simuloi valon kulkua todellisessa maailmassa. Sen sijaan, että renderöitäisiin polygoneja, säteenseuranta heittää säteitä kamerasta (tai silmästä) jokaisen näytön pikselin läpi näkymään. Nämä säteet leikkaavat kohteita, ja niiden materiaaliominaisuuksien perusteella pikselin väri määritetään laskemalla, miten valo kimpoaa ja vuorovaikuttaa pinnan kanssa. Tämä prosessi voi sisältää heijastuksia, taittumisia ja varjoja, mikä johtaa erittäin realistisiin kuviin.

Säteenseurannan avainkäsitteet:

• Säteenheitto (Ray Casting): Prosessi, jossa säteitä ammutaan kamerasta näkymään.
• Leikkaustestit (Intersection Tests): Määritetään, missä säde leikkaa näkymän kohteita.
• Pinnan normaalit (Surface Normals): Vektorit, jotka ovat kohtisuorassa pintaan leikkauspisteessä ja joita käytetään heijastuksen ja taittumisen laskemiseen.
• Materiaaliominaisuudet (Material Properties): Määrittelevät, miten pinta vuorovaikuttaa valon kanssa (esim. väri, heijastavuus, karkeus).
• Varjosäteet (Shadow Rays): Säteet, jotka heitetään leikkauspisteestä valonlähteisiin määrittämään, onko piste varjossa.
• Heijastus- ja taittumissäteet (Reflection and Refraction Rays): Säteet, jotka heitetään leikkauspisteestä simuloimaan heijastuksia ja taittumisia.

Miksi WebGL ja Compute Shaderit?

WebGL tarjoaa alustariippumattoman API:n 2D- ja 3D-grafiikan renderöintiin verkkoselaimessa ilman lisäosien käyttöä. Compute shaderit, jotka esiteltiin WebGL 2.0:n myötä, mahdollistavat yleiskäyttöisen laskennan GPU:lla. Tämä antaa meille mahdollisuuden hyödyntää GPU:n rinnakkaislaskentatehoa säteenseurantalaskelmien tehokkaaseen suorittamiseen.

WebGL:n käytön edut säteenseurannassa:

• Alustariippumattomuus: WebGL toimii kaikissa moderneissa verkkoselaimissa käyttöjärjestelmästä riippumatta.
• Laitteistokiihdytys: Hyödyntää GPU:ta nopeaan renderöintiin.
• Ei vaadi lisäosia: Poistaa tarpeen käyttäjien asentaa lisäohjelmistoja.
• Saavutettavuus: Tekee säteenseurannasta saavutettavan laajemmalle yleisölle verkon kautta.

Compute Shadereiden käytön edut:

• Rinnakkaiskäsittely: Hyödyntää GPU:iden massiivisen rinnakkaista arkkitehtuuria tehokkaisiin säteenseurantalaskelmiin.
• Joustavuus: Mahdollistaa räätälöidyt algoritmit ja optimoinnit, jotka on suunniteltu säteenseurantaa varten.
• Suora pääsy GPU:hun: Ohittaa perinteisen renderöintiputken, mikä antaa paremman hallinnan.

Toteutuksen yleiskatsaus

Säteenseurannan toteuttaminen WebGL:ssä compute shadereiden avulla sisältää useita keskeisiä vaiheita:

1. WebGL-kontekstin alustaminen: WebGL-kontekstin luominen ja tarvittavien laajennusten käyttöönotto (WebGL 2.0 vaaditaan).
2. Compute shadereiden luominen: GLSL-koodin kirjoittaminen compute shaderille, joka suorittaa säteenseurantalaskelmat.
3. Shader Storage Buffer Objectien (SSBO) luominen: Muistin varaaminen GPU:lta näkymädatan, sädedatan ja lopullisen kuvan tallentamiseen.
4. Compute shaderin käynnistäminen: Compute shaderin käynnistäminen datan käsittelyä varten.
5. Tulosten lukeminen takaisin: Renderöidyn kuvan noutaminen SSBO:sta ja sen näyttäminen näytöllä.

Yksityiskohtaiset toteutusvaiheet

1. WebGL-kontekstin alustaminen

Ensimmäinen vaihe on luoda WebGL 2.0 -konteksti. Tämä edellyttää canvas-elementin hakemista HTML:stä ja sen jälkeen WebGL2RenderingContext-pyynnön tekemistä. Virheenkäsittely on ratkaisevan tärkeää, jotta voidaan varmistaa kontekstin onnistunut luominen.

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

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

              
                Copy
              
            
          

2. Compute shadereiden luominen

Säteenseuraajan ydin on GLSL-kielellä kirjoitettu compute shader. Tämä shader vastaa säteiden heittämisestä, leikkaustestien suorittamisesta ja kunkin pikselin värin laskemisesta. Compute shader toimii työryhmien ruudukossa, joista kukin käsittelee pienen osan kuvasta.

Tässä on yksinkertaistettu esimerkki compute shaderista, joka laskee perusvärin pikselikoordinaattien perusteella:

            #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
              
            
          

Tämä shader määrittelee työryhmän kooksi 8x8, tulostuspuskurin nimeltä `pixels` ja uniform-muuttujan näytön resoluutiolle. Jokainen työyksikkö (pikseli) laskee värinsä sijaintinsa perusteella ja kirjoittaa sen tulostuspuskuriin.

3. Shader Storage Buffer Objectien (SSBO) luominen

SSBO:ita käytetään datan tallentamiseen, joka jaetaan CPU:n ja GPU:n välillä. Tässä tapauksessa käytämme SSBO:ita tallentamaan näkymädataa (esim. kolmioiden verteksit, materiaaliominaisuudet), sädedataa ja lopullista renderöityä kuvaa. Luo SSBO, sido se sidontapisteeseen ja täytä se alkuperäisellä datalla.

            // 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
              
            
          

4. Compute shaderin käynnistäminen

Compute shaderin ajamiseksi meidän on käynnistettävä se. Tämä edellyttää kussakin ulottuvuudessa käynnistettävien työryhmien lukumäärän määrittämistä. Työryhmien lukumäärä määritetään jakamalla pikselien kokonaismäärä shaderissa määritellyllä työryhmän koolla.

            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` käynnistää compute shaderin. `gl.memoryBarrier` varmistaa, että GPU on lopettanut kirjoittamisen SSBO:hon ennen kuin CPU yrittää lukea siitä.

5. Tulosten lukeminen takaisin

Kun compute shader on suoritettu, meidän on luettava renderöity kuva SSBO:sta takaisin CPU:lle. Tämä edellyttää puskurin luomista CPU:lle ja sen jälkeen `gl.getBufferSubData`-funktion käyttöä datan kopioimiseksi SSBO:sta CPU-puskuriin. Lopuksi luodaan kuvaelementti datan avulla.

            // 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
              
            
          

Näkymän esitysmuoto ja kiihdytysrakenteet

Ratkaiseva osa säteenseurantaa on leikkauspisteiden tehokas löytäminen säteiden ja näkymän kohteiden välillä. Raakaan voimaan perustuvat leikkaustestit, joissa jokainen säde testataan jokaista kohdetta vastaan, ovat laskennallisesti kalliita. Suorituskyvyn parantamiseksi käytetään kiihdytysrakenteita, jotka organisoivat näkymädatan ja hylkäävät nopeasti kohteet, jotka eivät todennäköisesti leikkaa annettua sädettä.

Yleiset kiihdytysrakenteet:

• Raja-laatikoiden hierarkia (Bounding Volume Hierarchy, BVH): Hierarkkinen puurakenne, jossa kukin solmu edustaa raja-laatikkoa, joka sulkee sisäänsä joukon kohteita. Tämä mahdollistaa suurten osien näkymästä nopean hylkäämisen.
• Kd-puu (Kd-Tree): Avaruuden osiointirakenne, joka jakaa näkymän rekursiivisesti pienempiin alueisiin.
• Avaruudellinen hajautus (Spatial Hashing): Jakaa näkymän solujen ruudukkoon ja tallentaa kohteet soluihin, joiden kanssa ne leikkaavat.

WebGL-säteenseurannassa BVH:t ovat usein suositeltavin valinta niiden suhteellisen helpon toteutuksen ja hyvän suorituskyvyn vuoksi. BVH:n toteuttaminen sisältää seuraavat vaiheet:

1. Raja-laatikon laskenta: Laske raja-laatikko jokaiselle näkymän kohteelle (esim. kolmioille).
2. Puun rakentaminen: Jaa näkymä rekursiivisesti pienempiin raja-laatikoihin, kunnes kukin lehtisolmu sisältää pienen määrän kohteita. Yleisiä jakokriteereitä ovat pisimmän akselin keskipiste tai pinta-alaheuristiikka (SAH).
3. Läpikäynti: Käy BVH läpi säteenseurannan aikana, aloittaen juurisolmusta. Jos säde leikkaa solmun raja-laatikon, käy sen lapsisolmut rekursiivisesti läpi. Jos säde leikkaa lehtisolmun, suorita leikkaustestit kyseisessä solmussa olevia kohteita vastaan.

Esimerkki BVH-rakenteesta GLSL:ssä (yksinkertaistettu):

            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
              
            
          

Säteen ja kolmion leikkaus

Perustavanlaatuisin leikkaustesti säteenseurannassa on säteen ja kolmion leikkaus. Tämän testin suorittamiseen on olemassa lukuisia algoritmeja, mukaan lukien Möller–Trumbore-algoritmi, jota käytetään laajalti sen tehokkuuden ja yksinkertaisuuden vuoksi.

Möller–Trumbore-algoritmi:

Möller–Trumbore-algoritmi laskee säteen ja kolmion leikkauspisteen ratkaisemalla lineaarisen yhtälöryhmän. Se sisältää barysentristen koordinaattien laskemisen, jotka määrittävät leikkauspisteen sijainnin kolmion sisällä. Jos barysentriset koordinaatit ovat välillä [0, 1] ja niiden summa on pienempi tai yhtä suuri kuin 1, säde leikkaa kolmion.

Esimerkki GLSL-koodista:

            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
              
            
          

Varjostus ja valaistus

Kun leikkauspiste on löydetty, seuraava vaihe on laskea pikselin väri. Tämä edellyttää sen määrittämistä, miten valo vuorovaikuttaa pinnan kanssa leikkauspisteessä. Yleisiä varjostusmalleja ovat:

• Phong-varjostus: Yksinkertainen varjostusmalli, joka laskee valon diffuusin ja spekulaarisen komponentin.
• Blinn-Phong-varjostus: Parannus Phong-varjostukseen, joka käyttää puolivälivektoria spekulaarisen komponentin laskemiseen.
• Fysikaalisesti perusteltu renderöinti (PBR): Realistisempi varjostusmalli, joka ottaa huomioon materiaalien fysikaaliset ominaisuudet.

Säteenseuranta mahdollistaa edistyneempiä valaistusefektejä kuin rasterointi, kuten globaalin valaistuksen, heijastukset ja taittumiset. Nämä efektit voidaan toteuttaa heittämällä lisää säteitä leikkauspisteestä.

Esimerkki: Diffuusin valaistuksen laskeminen

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

            

              
                Copy
              
            
          

Suorituskykyyn liittyvät seikat ja optimoinnit

Säteenseuranta on laskennallisesti raskasta, ja reaaliaikaisen suorituskyvyn saavuttaminen WebGL:ssä vaatii huolellista optimointia. Tässä on joitakin keskeisiä tekniikoita:

• Kiihdytysrakenteet: Kuten aiemmin mainittiin, kiihdytysrakenteiden, kuten BVH:iden, käyttö on ratkaisevan tärkeää leikkaustestien määrän vähentämiseksi.
• Varhainen säteen lopetus: Lopeta säteet aikaisin, jos ne eivät merkittävästi vaikuta lopulliseen kuvaan. Esimerkiksi varjosäteet voidaan lopettaa heti, kun ne osuvat kohteeseen.
• Adaptiivinen näytteenotto: Käytä vaihtelevaa määrää näytteitä pikseliä kohti näkymän monimutkaisuudesta riippuen. Alueet, joissa on paljon yksityiskohtia tai monimutkainen valaistus, voidaan renderöidä useammalla näytteellä.
• Kohinanpoisto (Denoising): Käytä kohinanpoistoalgoritmeja vähentämään kohinaa renderöidyssä kuvassa, mikä mahdollistaa vähemmän näytteitä pikseliä kohti.
• Compute shader -optimoinnit: Optimoi compute shader -koodi minimoimalla muistihaut, käyttämällä vektorioperaatioita ja välttämällä haarautumista.
• Työryhmän koon viritys: Kokeile eri työryhmäkokoja löytääksesi optimaalisen kokoonpanon kohde-GPU:lle.
• Laitteistopohjaisen säteenseurannan käyttö (jos saatavilla): Jotkut GPU:t tarjoavat nyt erillistä laitteistoa säteenseurantaan. Tarkista ja hyödynnä laajennuksia, jotka tuovat tämän toiminnallisuuden esiin WebGL:ssä.

Globaalit esimerkit ja sovellukset

WebGL-säteenseurannalla on lukuisia potentiaalisia sovelluksia eri toimialoilla maailmanlaajuisesti:

• Pelit: Paranna verkkopohjaisten pelien visuaalista laatua realistisella valaistuksella, heijastuksilla ja varjoilla.
• Tuotevisualisointi: Luo interaktiivisia 3D-malleja tuotteista fotorealistisella renderöinnillä verkkokauppaa ja markkinointia varten. Esimerkiksi ruotsalainen huonekaluyritys voisi antaa asiakkaiden visualisoida huonekaluja kodeissaan tarkalla valaistuksella ja heijastuksilla.
• Arkkitehtoninen visualisointi: Visualisoi arkkitehtonisia suunnitelmia realistisella valaistuksella ja materiaaleilla. Dubaissa toimiva arkkitehtitoimisto voisi käyttää säteenseurantaa esitelläkseen rakennussuunnitelmia tarkoilla auringonvalo- ja varjosimulaatioilla.
• Virtuaalitodellisuus (VR) ja lisätty todellisuus (AR): Paranna VR- ja AR-kokemusten realismia sisällyttämällä niihin säteenseurantaefektejä. Esimerkiksi lontoolainen museo voisi tarjota VR-kierroksen, jossa on parannettuja visuaalisia yksityiskohtia säteenseurannan avulla.
• Tieteellinen visualisointi: Visualisoi monimutkaista tieteellistä dataa realistisilla renderöintitekniikoilla. Japanilainen tutkimuslaboratorio voisi käyttää säteenseurantaa visualisoidakseen molekyylirakenteita tarkalla valaistuksella ja varjoilla.
• Koulutus: Kehitä interaktiivisia opetusvälineitä, jotka demonstroivat optiikan ja valon kulun periaatteita.

Haasteet ja tulevaisuuden suunnat

Vaikka reaaliaikainen säteenseuranta WebGL:ssä on tulossa yhä toteutettavammaksi, useita haasteita on edelleen olemassa:

• Suorituskyky: Korkeiden kuvataajuuksien saavuttaminen monimutkaisissa näkymissä on edelleen haaste.
• Monimutkaisuus: Täysimittaisen säteenseuraajan toteuttaminen vaatii merkittävää ohjelmointityötä.
• Laitteistotuki: Kaikki GPU:t eivät tue compute shadereiden tai laitteistopohjaisen säteenseurannan vaatimia laajennuksia.

WebGL-säteenseurannan tulevaisuuden suuntia ovat:

• Parannettu laitteistotuki: Kun yhä useammat GPU:t sisältävät erillistä säteenseurantahardwarea, suorituskyky paranee merkittävästi.
• Standardoidut API:t: Standardoitujen API:en kehittäminen laitteistopohjaiselle säteenseurannalle WebGL:ssä yksinkertaistaa toteutusprosessia.
• Edistyneet kohinanpoistotekniikat: Kehittyneemmät kohinanpoistoalgoritmit mahdollistavat korkealaatuisempia kuvia vähemmillä näytteillä.
• Integrointi WebAssemblyn (Wasm) kanssa: WebAssemblyn käyttö säteenseuraajan laskennallisesti raskaiden osien toteuttamiseen voisi parantaa suorituskykyä.

Yhteenveto

Reaaliaikainen säteenseuranta WebGL:ssä compute shadereiden avulla on nopeasti kehittyvä ala, jolla on potentiaalia mullistaa verkkografiikka. Ymmärtämällä säteenseurannan perusteet, hyödyntämällä compute shadereiden tehoa ja käyttämällä optimointitekniikoita kehittäjät voivat luoda upeita visuaalisia kokemuksia, joita aiemmin pidettiin mahdottomina verkkoselaimessa. Laitteistojen ja ohjelmistojen jatkaessa kehittymistään voimme odottaa näkevämme tulevina vuosina entistä vaikuttavampia säteenseurannan sovelluksia verkossa, jotka ovat saavutettavissa globaalille yleisölle miltä tahansa laitteelta, jossa on moderni selain.

Tämä opas on tarjonnut kattavan yleiskatsauksen käsitteistä ja tekniikoista, jotka liittyvät reaaliaikaisen säteenseurannan toteuttamiseen WebGL:ssä. Kannustamme kehittäjiä maailmanlaajuisesti kokeilemaan näitä tekniikoita ja osallistumaan verkkografiikan edistämiseen.