Dévoiler la configuration du pipeline de raytracing (RT) en WebGL

Le raytracing, autrefois le domaine de l'infographie haut de gamme, évolue rapidement. Avec l'avènement de WebGL et de ses extensions, il est maintenant possible d'apporter la puissance du raytracing au web. Cet article explore le monde fascinant du raytracing WebGL, en se concentrant spécifiquement sur l'aspect crucial : la configuration du pipeline RT (Ray Tracing). Nous explorerons ses composants, ses applications pratiques et ses techniques d'optimisation pour vous aider à créer des expériences de raytracing en temps réel époustouflantes directement dans votre navigateur web. Ce guide est conçu pour un public mondial, offrant un aperçu complet accessible aux développeurs de différents niveaux d'expérience, du débutant au programmeur graphique chevronné.

Comprendre le pipeline de raytracing : les fondations

Avant de plonger dans la configuration du pipeline RT, il est essentiel de saisir les principes fondamentaux du raytracing. Contrairement à la rastérisation, qui convertit les modèles 3D en images 2D à travers une série de triangles, le raytracing simule les trajets de la lumière. Il trace des rayons depuis la caméra à travers chaque pixel, déterminant où ces rayons croisent les objets de la scène. La couleur de chaque pixel est ensuite calculée en fonction des sources de lumière et des propriétés matérielles des objets intersectés. Ce processus permet un éclairage, des ombres, des réflexions et des réfractions plus réalistes, conduisant à des résultats visuellement époustouflants.

Le processus de base du raytracing implique les étapes suivantes :

• Génération de rayons : Des rayons sont lancés depuis la caméra pour chaque pixel.
• Test d'intersection : Chaque rayon est testé contre tous les objets de la scène pour trouver l'intersection la plus proche.
• Ombrage (Shading) : La couleur du pixel est calculée en fonction du point d'intersection, des sources lumineuses et des propriétés du matériau. Cela implique de calculer la lumière qui atteint le point d'intersection.
• Réflexion/Réfraction des rayons (optionnel) : Selon les propriétés du matériau, des rayons secondaires peuvent être lancés pour les réflexions ou les réfractions, ajoutant du réalisme. Cela crée un processus récursif qui peut se poursuivre sur plusieurs niveaux.

La configuration du pipeline RT en WebGL : composants et considérations

La configuration du pipeline RT est le plan directeur de la manière dont les calculs de raytracing sont effectués dans l'environnement WebGL. Elle dicte les divers paramètres, shaders et ressources utilisés pour obtenir l'image rendue finale. Ce processus de configuration n'est pas aussi explicite en WebGL que dans les API de raytracing dédiées, mais il est intégré dans la manière dont nous construisons les données de la scène et écrivons les shaders qui simuleront un processus de raytracing. Les considérations clés pour la construction d'un système de raytracing incluent la représentation de la scène, la conception des shaders et la gestion des données.

1. Représentation de la scène et structures de données

L'un des principaux défis du raytracing WebGL est la représentation efficace de la scène. Comme WebGL n'a pas été conçu à l'origine pour le raytracing, des structures de données et des techniques spécialisées sont souvent utilisées. Les choix populaires incluent :

• Maillages de triangles : C'est la forme la plus courante de représentation d'objets 3D. Cependant, le raytracing nécessite des tests d'intersection efficaces, ce qui a conduit au développement de structures de données accélérées comme les hiérarchies de volumes englobants (BVH).
• Hiérarchies de volumes englobants (BVH) : Les BVH organisent les triangles en une structure arborescente, permettant un rejet rapide des triangles qui n'intersectent pas un rayon. Cela accélère considérablement les tests d'intersection en n'examinant que les intersections potentielles.
• Structures d'accélération : D'autres structures d'accélération incluent les grilles et les octrees, mais les BVH sont prédominantes en raison de leur relative facilité de mise en œuvre et de leurs bonnes performances sur des scènes diverses. La construction de ces structures peut impliquer des étapes de prétraitement effectuées sur le CPU, puis transférées au GPU pour être utilisées dans les shaders.
• Graphe de scène : Bien que non obligatoire, l'organisation de la scène en un graphe de scène hiérarchique peut aider à gérer efficacement les transformations, l'éclairage et les propriétés des matériaux des objets. Cela aide à définir la relation d'un objet avec les autres au sein de la scène.

Exemple : Considérons une scène contenant plusieurs modèles 3D. Pour effectuer un raytracing efficace, les triangles de chaque modèle doivent être organisés au sein d'une BVH. Pendant le pipeline RT, le shader parcourt la BVH pour chaque rayon afin d'éliminer rapidement les triangles qui ne sont pas intersectés. Les données des modèles, y compris la structure BVH, les sommets des triangles, les normales et les propriétés des matériaux, sont chargées dans des tampons (buffers) WebGL.

2. Conception des shaders : le cœur du pipeline RT

Les shaders sont au cœur de la configuration du pipeline RT. WebGL utilise deux principaux types de shaders : les vertex shaders et les fragment shaders. Cependant, pour le raytracing, le fragment shader (également appelé pixel shader) effectue tous les calculs critiques. Avec les extensions de compute shaders (comme l'extension EXT_shader_texture_lod), le raytracing peut également être effectué de manière plus parallèle, les rayons étant suivis à l'aide de threads de compute shader.

Les fonctionnalités clés des shaders incluent :

• Génération de rayons : Le fragment shader crée les rayons initiaux, provenant généralement de la caméra et dirigés à travers chaque pixel. Cela nécessite la connaissance de la position de la caméra, de son orientation et de la résolution de l'écran.
• Test d'intersection : Cela implique de tester les rayons générés contre la géométrie de la scène en utilisant des algorithmes appropriés pour la représentation de scène choisie. Cela signifie souvent parcourir les BVH dans le fragment shader, en effectuant des tests d'intersection contre les triangles.
• Calculs d'ombrage : Une fois qu'une intersection est trouvée, le shader calcule la couleur du pixel. Cela implique :
• Calculer la normale de la surface au point d'intersection.
• Déterminer la contribution de la lumière.
• Appliquer les propriétés du matériau (par ex., couleur diffuse, réflexion spéculaire).
• Réflexion/Réfraction (Optionnel) : C'est là que le réalisme plus complexe est atteint. Si l'objet intersecté est réfléchissant ou réfractif, le shader génère des rayons secondaires, les trace et combine les couleurs résultantes. Ce processus est souvent récursif, permettant des effets d'éclairage complexes.

Exemple pratique de shader (fragment shader simplifié) :

            #version 300 es
precision highp float;

uniform vec3 u_cameraPosition;
uniform vec3 u_cameraForward;
uniform vec3 u_cameraUp;
uniform vec3 u_cameraRight;
uniform sampler2D u_sceneTriangles;
uniform sampler2D u_sceneBVH;

// Structure pour un rayon
struct Ray {
    vec3 origin;
    vec3 direction;
};

// Structure pour une intersection
struct Intersection {
    bool hit;
    float t;
    vec3 position;
    vec3 normal;
};

// Intersection Rayon/Triangle (simplifié - nécessite les données des triangles de la scène)
Intersection intersectTriangle(Ray ray, vec3 v0, vec3 v1, vec3 v2) {
    Intersection intersection;
    intersection.hit = false;
    intersection.t = 1e30;
    // ... (Calculs d'intersection, simplifiés)
    return intersection;
}

// Point d'entrée principal du fragment shader
out vec4 fragColor;

void main() {
    // Calculer les coordonnées de l'écran pour générer le rayon.
    vec2 uv = gl_FragCoord.xy / vec2(u_resolution); //u_resolution contiendra les dimensions de l'écran
    uv = uv * 2.0 - 1.0;
    vec3 rayDirection = normalize(u_cameraForward + uv.x * u_cameraRight + uv.y * u_cameraUp);
    Ray ray;
    ray.origin = u_cameraPosition;
    ray.direction = rayDirection;

    Intersection closestIntersection;
    closestIntersection.hit = false;
    closestIntersection.t = 1e30;
    
    // Itérer sur les triangles (simplifié - utilise généralement une BVH)
    for(int i = 0; i < numTriangles; ++i) {
       // Obtenir les données du triangle via des lectures de texture (u_sceneTriangles)
       vec3 v0 = texture(u_sceneTriangles, ...).xyz;
       vec3 v1 = texture(u_sceneTriangles, ...).xyz;
       vec3 v2 = texture(u_sceneTriangles, ...).xyz;
       Intersection intersection = intersectTriangle(ray, v0, v1, v2);
       if (intersection.hit && intersection.t < closestIntersection.t) {
            closestIntersection = intersection;
       }
    }

    // Ombrage (simplifié)
    if (closestIntersection.hit) {
        fragColor = vec4(closestIntersection.normal * 0.5 + 0.5, 1.0);
    } else {
        fragColor = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    }
}

            

              
                Copy
              
            
          

Dans l'exemple ci-dessus, nous voyons la structure de base d'un fragment shader. L'exemple est très simplifié. Les implémentations réelles nécessitent des calculs beaucoup plus élaborés, en particulier dans les étapes de test d'intersection et d'ombrage.

3. Gestion des ressources et des données

La gestion efficace des ressources et des données est cruciale pour la performance. Considérez les points suivants :

• Tampons (Buffers) et textures WebGL : La géométrie de la scène, les données BVH, les propriétés des matériaux et les informations d'éclairage sont souvent stockées dans des tampons et des textures WebGL. Ceux-ci doivent être soigneusement organisés pour permettre un accès rapide par les shaders.
• Variables Uniform : Les variables Uniform transmettent des données du code JavaScript aux shaders. Cela inclut les paramètres de la caméra, les positions des lumières et les réglages des matériaux. L'utilisation de blocs uniformes (uniform blocks) peut optimiser la transmission de nombreuses variables uniformes.
• Échantillonneurs de texture (Texture Samplers) : Les échantillonneurs de texture sont utilisés pour récupérer des données à partir de textures, telles que les données de sommets de triangles ou les propriétés des matériaux. Des modes de filtrage et d'adressage appropriés sont essentiels pour une performance optimale.
• Téléchargement et gestion des données : Minimisez la quantité de données téléchargées vers le GPU à chaque image. Le prétraitement des données et leur téléchargement de manière efficace sont vitaux. Envisagez d'utiliser le rendu instancié (instanced rendering) pour dessiner plusieurs instances d'un modèle avec différentes transformations.

Astuce d'optimisation : Au lieu de passer des paramètres de matériau individuels en tant que variables uniformes, vous pouvez stocker les données de matériau dans une texture et échantillonner cette texture dans le shader. C'est généralement plus rapide que de passer de nombreuses valeurs uniformes et cela utilisera moins de mémoire.

Mise en œuvre du pipeline RT : un guide étape par étape

La mise en œuvre d'une configuration de pipeline de raytracing WebGL implique plusieurs étapes. Voici un aperçu général :

1. Configurer le contexte WebGL : Initialisez le contexte WebGL et assurez-vous qu'il est correctement configuré pour le rendu. Activez les extensions appropriées telles que OES_texture_float, EXT_color_buffer_float, ou d'autres extensions WebGL en fonction de vos besoins en raytracing et des navigateurs cibles.
2. Préparer les données de la scène : Chargez ou générez des modèles 3D et des données de triangles. Construisez une BVH pour chaque modèle afin d'accélérer les tests d'intersection rayon-triangle.
3. Créer les tampons et textures WebGL : Créez des tampons et des textures WebGL pour stocker les données de sommets, les indices des triangles, les données BVH et d'autres informations pertinentes. Par exemple, les données des triangles peuvent être stockées dans une texture et accessibles dans le shader via des lectures de texture.
4. Écrire les shaders : Écrivez vos vertex et fragment shaders. Le fragment shader contiendra la logique de raytracing principale, y compris la génération de rayons, les tests d'intersection et les calculs d'ombrage. Le vertex shader est généralement responsable de la transformation des sommets.
5. Compiler et lier les shaders : Compilez les shaders et liez-les dans un programme WebGL.
6. Configurer les variables Uniform : Définissez des variables uniformes pour passer les paramètres de la caméra, les positions des lumières et d'autres données spécifiques à la scène aux shaders. Liez ces variables à l'aide des fonctions `gl.uniform...` de WebGL.
7. Boucle de rendu : Créez une boucle de rendu qui effectue les opérations suivantes pour chaque image :
• Effacer le framebuffer.
• Lier le programme WebGL.
• Lier les données de sommets et les autres tampons pertinents.
• Définir les variables uniformes.
• Dessiner un quad plein écran pour déclencher le fragment shader (ou utiliser un appel de dessin plus spécifique).
8. Optimisation : Surveillez les performances et optimisez le pipeline en :
• Optimisant le code des shaders.
• Utilisant des structures de données efficaces (par ex., les BVH).
• Réduisant le nombre d'appels aux shaders.
• Mettant en cache les données lorsque c'est possible.

Exemple de code (extrait JavaScript illustratif) :

            
// Initialisation
const canvas = document.getElementById('glCanvas');
const gl = canvas.getContext('webgl2', { antialias: false }); // Ou 'webgl' pour les navigateurs plus anciens
if (!gl) {
    alert('Impossible d\'initialiser WebGL. Votre navigateur ou votre matériel pourrait ne pas le supporter.');
}

// Compilation et liaison des shaders (simplifié, nécessite la source réelle des shaders)
function createShader(gl, type, source) {
    const shader = gl.createShader(type);
    gl.shaderSource(shader, source);
    gl.compileShader(shader);
    if (!gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS)) {
        console.error('Une erreur est survenue lors de la compilation des shaders: ' + gl.getShaderInfoLog(shader));
        gl.deleteShader(shader);
        return null;
    }
    return shader;
}

function createProgram(gl, vertexShader, fragmentShader) {
    const program = gl.createProgram();
    gl.attachShader(program, vertexShader);
    gl.attachShader(program, fragmentShader);
    gl.linkProgram(program);
    if (!gl.getProgramParameter(program, gl.LINK_STATUS)) {
        console.error('Impossible d\'initialiser le programme de shaders: ' + gl.getProgramInfoLog(program));
        return null;
    }
    return program;
}

const vertexShaderSource = `
#version 300 es
// ... (Code du Vertex Shader)
`;
const fragmentShaderSource = `
#version 300 es
precision highp float;
// ... (Code du Fragment Shader)
`;

const vertexShader = createShader(gl, gl.VERTEX_SHADER, vertexShaderSource);
const fragmentShader = createShader(gl, gl.FRAGMENT_SHADER, fragmentShaderSource);
const shaderProgram = createProgram(gl, vertexShader, fragmentShader);

// Préparation des données de la scène (simplifié)
const triangleVertices = new Float32Array([
    0.0, 0.5, 0.0,   // v0
    -0.5, -0.5, 0.0,  // v1
    0.5, -0.5, 0.0   // v2
]);

// Créer et lier le tampon de sommets (exemple)
const vertexBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, triangleVertices, gl.STATIC_DRAW);

// Obtenir l'emplacement de l'attribut pour les positions des sommets (exemple)
const positionAttributeLocation = gl.getAttribLocation(shaderProgram, 'a_position');

// Définir les pointeurs d'attributs (exemple)
gl.enableVertexAttribArray(positionAttributeLocation);
gl.vertexAttribPointer(positionAttributeLocation, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);

// Définir les variables Uniform (exemple)
const cameraPositionLocation = gl.getUniformLocation(shaderProgram, 'u_cameraPosition');
gl.useProgram(shaderProgram);
gl.uniform3fv(cameraPositionLocation, [0, 0, 2]); // Position de la caméra (exemple)

// Boucle de rendu
function render(now) {
    // Définir le viewport
    gl.viewport(0, 0, gl.canvas.width, gl.canvas.height);

    // Effacer le canevas
    gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0); // Effacer en noir
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

    // Dessiner la scène (exemple - nécessite une configuration correcte du shader)
    gl.useProgram(shaderProgram);
    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);  // Relier si le tampon change
    gl.vertexAttribPointer(positionAttributeLocation, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
    gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3); // En supposant 3 sommets pour un triangle

    requestAnimationFrame(render);
}

requestAnimationFrame(render);

            

              
                Copy
              
            
          

Ce code fournit une illustration de haut niveau. La construction d'un pipeline de raytracing complet implique un code de shader et une gestion des données beaucoup plus complexes. La clé est de se concentrer sur une représentation de scène efficace, des tests d'intersection optimisés et une mise en œuvre efficace des shaders.

Techniques d'optimisation pour le raytracing en temps réel en WebGL

Le raytracing en temps réel, surtout dans un navigateur, exige une optimisation minutieuse. Plusieurs techniques peuvent améliorer considérablement les performances :

• Hiérarchies de volumes englobants (BVH) : Comme discuté précédemment, les BVH sont essentielles pour accélérer les tests d'intersection. Optimisez la construction et le parcours de vos BVH.
• Optimisations des shaders :
• Minimiser les calculs : Réduisez les calculs redondants dans vos shaders. Utilisez des valeurs précalculées et évitez les opérations coûteuses autant que possible.
• Tests d'intersection efficaces : Choisissez des algorithmes rapides d'intersection rayon-triangle ou rayon-objet.
• Utiliser les lectures de texture : Comme mentionné précédemment, utiliser des textures pour stocker les données des objets et les propriétés des matériaux peut être plus efficace que d'utiliser des variables uniformes.
• Optimiser les boucles : Minimisez l'utilisation de boucles imbriquées, qui peuvent être des goulots d'étranglement pour les performances.
• Compression des données : La compression des données peut réduire l'utilisation de la bande passante mémoire. C'est bénéfique lors du chargement des données de la scène et pour les données de texture.
• Niveau de détail (LOD) : Implémentez des techniques de LOD, en particulier pour les objets distants. Utilisez des représentations plus simples (nombre de triangles inférieur) pour les objets plus éloignés de la caméra.
• Échantillonnage adaptatif : Utilisez l'échantillonnage adaptatif pour faire varier le nombre de rayons lancés par pixel en fonction de la complexité de la scène. Cela peut améliorer la qualité visuelle sans sacrifier les performances. Les zones avec un éclairage complexe seront échantillonnées plus fréquemment.
• Réduire l'overdraw : Réduisez l'overdraw (sur-dessin) pour économiser du temps de traitement dans le fragment shader.
• Intégration des Web Workers : Utilisez les Web Workers pour les tâches de prétraitement comme la construction de BVH ou le chargement de données.
• Profilage et débogage : Utilisez les outils de développement du navigateur (par ex., Chrome DevTools) pour profiler votre application WebGL et identifier les goulots d'étranglement des performances.
• Utiliser WebGPU (futur) : WebGPU, la nouvelle génération d'API graphique web, offre des fonctionnalités comme les compute shaders qui ont un support natif pour les opérations de raytracing. Cela débloquera potentiellement des performances considérablement améliorées.

Applications pratiques du raytracing WebGL

La capacité de faire du raytracing en WebGL ouvre des possibilités passionnantes pour diverses applications dans de nombreuses industries. Voici quelques exemples :

• Configurateurs de produits interactifs : Les utilisateurs peuvent visualiser des rendus photoréalistes de produits (par ex., voitures, meubles) en temps réel et les personnaliser avec des options telles que la couleur, le matériau et l'éclairage. Cela crée une expérience utilisateur engageante et immersive. Ceci est déjà utilisé par des entreprises du monde entier, des Amériques à l'Europe et l'Asie.
• Visualisations architecturales : Les architectes peuvent créer des modèles 3D interactifs de bâtiments et de paysages qui présentent un éclairage, des ombres et des réflexions réalistes. Les clients du monde entier peuvent visualiser ces modèles à distance via leur navigateur.
• Développement de jeux : Bien qu'encore à ses débuts, le raytracing WebGL peut être utilisé pour créer des effets visuels uniques et améliorer l'éclairage dans les jeux basés sur le web. Cela repousse les limites de ce qui est possible dans le navigateur.
• Simulations scientifiques : Visualisez des données et des simulations scientifiques complexes avec un éclairage et des réflexions réalistes. Les scientifiques du monde entier pourraient les utiliser pour mieux comprendre leurs résultats d'une manière visuelle et intuitive.
• Outils éducatifs : Créez des ressources éducatives interactives qui présentent des concepts complexes avec un éclairage et des réflexions précis. Les étudiants et les éducateurs de différents pays peuvent interagir et comprendre des sujets de géométrie avancée, d'optique et de physique.
• E-commerce : Donnez vie aux produits avec des expériences réalistes et interactives. Présentez les produits avec des vues à 360 degrés pour améliorer les ventes et créer une expérience utilisateur attrayante.

Conclusion : l'avenir du raytracing WebGL

Le raytracing WebGL est un domaine en pleine évolution. Bien qu'il nécessite une attention particulière à l'optimisation des performances et aux techniques de mise en œuvre, la capacité d'apporter un rendu réaliste au web est incroyablement précieuse. La configuration du pipeline RT, lorsqu'elle est correctement mise en œuvre, ouvre de nouvelles voies créatives et enrichit les expériences utilisateur. Alors que WebGL continue d'évoluer, et avec l'avènement de WebGPU, l'avenir du raytracing dans le navigateur s'annonce prometteur. À mesure que les développeurs continuent d'améliorer les optimisations et de les intégrer aux nouvelles capacités matérielles, nous pouvons nous attendre à des applications de raytracing encore plus sophistiquées et interactives dans le navigateur web. En comprenant les concepts de base, les étapes de mise en œuvre et les techniques d'optimisation, les développeurs peuvent commencer à créer des expériences de raytracing interactives et étonnantes accessibles aux utilisateurs du monde entier.

Ce guide a fourni un aperçu de la configuration du pipeline RT. Le processus de création d'applications de raytracing est en constante évolution, alors continuez à apprendre, à expérimenter et à repousser les limites du possible. Bon raytracing !