WebGL Raytracing Illumination Globale : Obtenir un éclairage physiquement précis dans les applications web

La recherche du réalisme dans les graphiques 3D a entraîné une innovation continue dans les techniques de rendu. Le raytracing, autrefois limité au rendu hors ligne en raison de ses exigences de calcul, est maintenant de plus en plus accessible dans les environnements en temps réel, grâce aux progrès du matériel et des API comme WebGL. Cet article explore le monde fascinant de l'illumination globale par raytracing WebGL, en explorant comment obtenir un éclairage physiquement précis dans les applications web.

Comprendre l'illumination globale

L'illumination globale (GI) fait référence à un ensemble de techniques de rendu qui simulent la façon dont la lumière rebondit dans une scène, créant une expérience visuelle plus réaliste et immersive. Contrairement à l'éclairage direct, qui ne considère que les sources de lumière éclairant directement les surfaces, GI tient compte de l'éclairage indirect - la lumière réfléchie, réfractée ou diffusée par d'autres surfaces dans l'environnement. Cela inclut des effets comme :

• Interréflexion diffuse : La lumière rebondissant entre les surfaces diffuses, ce qui entraîne une diffusion des couleurs et un éclairage ambiant subtil. Imaginez un mur rouge projetant une légère teinte rouge sur un sol blanc à proximité.
• Réflexion spéculaire : Réflexions précises des sources de lumière et de l'environnement environnant sur les surfaces brillantes. Pensez à la réflexion d'une fenêtre dans une sphère métallique polie.
• Réfraction : La lumière se pliant lorsqu'elle traverse des matériaux transparents, créant des distorsions et des caustiques réalistes. Considérez la façon dont un verre d'eau plie la lumière, créant des motifs sur la surface en dessous.
• Diffusion sous la surface (SSS) : La lumière pénétrant dans les matériaux translucides et se diffusant à l'intérieur avant de sortir, ce qui donne une apparence douce et éclairée. Les exemples incluent la peau, le marbre et le lait.

Obtenir une illumination globale réaliste améliore considérablement la qualité visuelle des scènes 3D, les rendant plus crédibles et engageantes. Cependant, la simulation précise de ces effets est gourmande en ressources de calcul.

Raytracing : Un chemin vers un éclairage réaliste

Le raytracing est une technique de rendu qui simule le comportement de la lumière en traçant des rayons de la caméra (ou de l'œil) à travers chaque pixel de l'image et dans la scène. Lorsqu'un rayon intersecte une surface, le raytracer détermine la couleur et la luminosité de ce point en tenant compte des effets d'éclairage à cet endroit. Ce processus peut être répété récursivement pour simuler les réflexions, les réfractions et d'autres interactions lumineuses complexes.

Le rendu traditionnel basé sur la rastérisation, la méthode dominante dans les graphiques en temps réel pendant de nombreuses années, approxime l'illumination globale grâce à des techniques telles que l'occlusion ambiante, les réflexions d'écran et les sondes lumineuses. Bien que ces méthodes puissent produire des résultats visuellement attrayants, elles manquent souvent de la précision et de l'exactitude physique du raytracing.

Le raytracing, d'autre part, gère naturellement les effets d'illumination globale en suivant les trajectoires des rayons lumineux lorsqu'ils interagissent avec la scène. Cela permet une simulation précise des réflexions, des réfractions et d'autres phénomènes complexes de transport de la lumière.

WebGL et raytracing : Un paysage en pleine croissance

WebGL (Web Graphics Library) est une API JavaScript pour le rendu de graphiques 2D et 3D interactifs dans n'importe quel navigateur web compatible sans l'utilisation de plug-ins. Il exploite l'unité de traitement graphique (GPU) sous-jacente pour accélérer les performances de rendu. Traditionnellement, WebGL a été associé au rendu basé sur la rastérisation.

Cependant, les récentes avancées de WebGL, en particulier avec l'introduction de WebGL 2 et des extensions comme GL_EXT_ray_tracing et WEBGL_gpu_acceleration, ouvrent des possibilités d'incorporation de techniques de raytracing dans les applications web. Ces extensions offrent un accès aux fonctionnalités de raytracing accélérées par GPU, permettant aux développeurs de créer des expériences web plus réalistes et visuellement époustouflantes.

Plusieurs approches existent pour implémenter le raytracing dans WebGL :

• Compute Shaders : Les compute shaders permettent des calculs à usage général sur le GPU. Les algorithmes de raytracing peuvent être implémentés à l'aide de compute shaders, en effectuant des tests d'intersection rayon-scène et en calculant les effets d'éclairage. Cette approche nécessite une implémentation plus manuelle, mais offre flexibilité et contrôle.
• Extensions de raytracing accélérées par matériel : Les extensions comme GL_EXT_ray_tracing fournissent un accès direct aux capacités de raytracing matériel, si elles sont disponibles sur l'appareil de l'utilisateur. Cette approche peut améliorer considérablement les performances par rapport aux implémentations basées sur des compute shaders. Cependant, elle repose sur la disponibilité d'un matériel et d'un support de pilotes spécifiques.
• WebGPU : WebGPU est un successeur de WebGL, conçu pour fournir une API plus moderne et efficace pour accéder aux capacités du GPU. WebGPU a un support natif pour le raytracing, ce qui en fait une plate-forme prometteuse pour les futures applications de raytracing basées sur le web.

Implémentation de l'illumination globale par raytracing WebGL

L'implémentation de l'illumination globale par raytracing WebGL est une entreprise complexe qui nécessite une solide compréhension des principes de l'infographie, des algorithmes de raytracing et de la programmation WebGL.

Voici un aperçu simplifié des étapes typiques impliquées :

1. Représentation de la scène : Représentez la scène 3D à l'aide de structures de données qui sont efficaces pour les tests d'intersection rayon-scène. Les structures de données courantes incluent les hiérarchies de volumes englobants (BVH) et les arbres k-d. Ces structures aident à accélérer le processus de raytracing en écartant rapidement de grandes portions de la scène qui sont peu susceptibles d'être intersectées par un rayon donné.
2. Génération de rayons : Générez des rayons de la caméra à travers chaque pixel de l'image. La direction de chaque rayon est déterminée par la position, l'orientation et le champ de vision de la caméra.
3. Intersection rayon-scène : Pour chaque rayon, effectuez des tests d'intersection contre tous les objets de la scène. Cela implique de déterminer si le rayon intersecte chaque objet et, si c'est le cas, de calculer le point d'intersection.
4. Ombrage : Au point d'intersection, calculez la couleur et la luminosité de la surface en fonction du modèle d'éclairage. Cela implique de tenir compte de l'éclairage direct des sources de lumière, ainsi que de l'éclairage indirect des effets d'illumination globale.
5. Échantillonnage de l'illumination globale : Pour l'illumination globale, lancez des rayons supplémentaires à partir du point d'intersection pour échantillonner l'environnement environnant. Ces rayons sont utilisés pour estimer la quantité de lumière arrivant au point à partir d'autres surfaces de la scène. Des techniques telles que le path tracing, l'intégration de Monte Carlo et l'échantillonnage d'importance sont souvent utilisées pour échantillonner efficacement le transport de la lumière.
6. Raytracing récursif : Répétez récursivement les étapes 3 à 5 pour les rayons de réflexion et de réfraction, en traçant les trajectoires de la lumière lorsqu'elle rebondit dans la scène. La profondeur de récursion est généralement limitée pour éviter un calcul excessif.
7. Sortie : Sortez la couleur finale pour chaque pixel sur le canvas WebGL.

Path Tracing : Une technique GI puissante

Le path tracing est un algorithme de raytracing de Monte Carlo qui simule l'illumination globale en traçant des trajectoires aléatoires de lumière à travers la scène. C'est une technique conceptuellement simple mais puissante qui peut produire des résultats très réalistes.

Dans le path tracing, au lieu de simplement tracer des rayons de la caméra, les rayons sont également tracés des sources de lumière. Ces rayons rebondissent dans la scène, interagissant avec les surfaces, jusqu'à ce qu'ils atteignent finalement la caméra. La couleur de chaque pixel est ensuite déterminée en moyennant les contributions de toutes les trajectoires lumineuses qui atteignent la caméra à travers ce pixel.

Le path tracing est intrinsèquement une méthode de Monte Carlo, ce qui signifie qu'il repose sur un échantillonnage aléatoire pour estimer le transport de la lumière. Cela peut entraîner des images bruitées, en particulier avec un petit nombre d'échantillons. Cependant, le bruit peut être réduit en augmentant le nombre d'échantillons par pixel. Les techniques de rendu progressif, où l'image est progressivement affinée au fil du temps à mesure que davantage d'échantillons sont accumulés, sont souvent utilisées pour améliorer l'expérience utilisateur.

Exemple : Implémentation de l'illumination globale diffuse avec Path Tracing

Considérons un exemple simplifié d'implémentation de l'illumination globale diffuse à l'aide du path tracing dans WebGL. Cet exemple se concentre sur le concept de base du traçage de rayons pour collecter des informations d'éclairage indirect.

Fragment Shader (Simplifié) :

            #version 300 es
precision highp float;

in vec3 worldPosition;
in vec3 worldNormal;

uniform vec3 lightPosition;
uniform vec3 cameraPosition;

out vec4 fragColor;

// Random number generator (LCG)
uint seed;
float random(in vec2 uv) {
    seed = (uint(uv.x * 1024.0) * 1664525u + uint(uv.y * 1024.0) * 1013904223u + seed) & 0xffffffffu;
    return float(seed) / float(0xffffffffu);
}

vec3 randomDirection(in vec3 normal) {
    float u = random(gl_FragCoord.xy + vec2(0.0, 0.0));
    float v = random(gl_FragCoord.xy + vec2(0.1, 0.1));
    float theta = acos(u);
    float phi = 2.0 * 3.14159 * v;
    vec3 tangent = normalize(cross(normal, vec3(0.0, 1.0, 0.0)));
    if (length(tangent) < 0.001) {
        tangent = normalize(cross(normal, vec3(1.0, 0.0, 0.0)));
    }
    vec3 bitangent = cross(normal, tangent);

    vec3 direction = normalize(
        normal * cos(theta) +
        tangent * sin(theta) * cos(phi) +
        bitangent * sin(theta) * sin(phi)
    );

    return direction;
}

void main() {
    seed = uint(gl_FragCoord.x * 1024.0 + gl_FragCoord.y);
    vec3 normal = normalize(worldNormal);

    // Direct Lighting (Simplified)
    vec3 lightDir = normalize(lightPosition - worldPosition);
    float diffuse = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    vec3 directLighting = vec3(1.0, 1.0, 1.0) * diffuse;

    // Indirect Lighting (Path Tracing)
    vec3 indirectLighting = vec3(0.0);
    int numSamples = 10;
    for (int i = 0; i < numSamples; ++i) {
        vec3 randomDir = randomDirection(normal);

        //  Simplified: Assume a constant color for simplicity (replace with actual scene sampling)
        indirectLighting += vec3(0.5, 0.5, 0.5); // Example indirect color
    }
    indirectLighting /= float(numSamples);

    fragColor = vec4(directLighting + indirectLighting, 1.0);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Explication :

• Position mondiale et normale : Ce sont des attributs de vertex interpolés transmis depuis le vertex shader.
• Position de la lumière et position de la caméra : Variables uniformes représentant les positions de la source de lumière et de la caméra.
• Générateur de nombres aléatoires : Un simple générateur linéaire congruential (LCG) est utilisé pour générer des nombres pseudo-aléatoires pour l'échantillonnage de la direction. Un meilleur RNG devrait être utilisé en production.
• Direction aléatoire : Génère une direction aléatoire sur l'hémisphère autour du vecteur normal. Ceci est utilisé pour échantillonner la lumière entrante provenant de différentes directions.
• Éclairage direct : Calcule la composante diffuse de l'éclairage direct en utilisant le produit scalaire de la normale et de la direction de la lumière.
• Éclairage indirect (Path Tracing) :
  • Une boucle itère un nombre de fois spécifié (numSamples).
  • Dans chaque itération, une direction aléatoire est générée à l'aide de la fonction randomDirection.
  • Échantillonnage de scène simplifié : Dans cet exemple simplifié, nous supposons une couleur constante pour l'éclairage indirect. Dans une implémentation réelle, vous traceriez un rayon dans la direction randomDir et échantillonneriez la couleur de l'objet que le rayon intersecte. Cela implique un raytracing récursif, qui n'est pas montré dans cet exemple simplifié.
  • La contribution de l'éclairage indirect est accumulée puis divisée par le nombre d'échantillons pour obtenir une moyenne.
• Couleur finale : La couleur finale est calculée en ajoutant les composantes d'éclairage direct et indirect.

Remarques importantes :

• Ceci est un exemple très simplifié. Un path tracer complet nécessite des techniques plus sophistiquées pour l'intersection rayon-scène, l'évaluation des matériaux et la réduction de la variance.
• Données de scène : Cet exemple suppose que la géométrie de la scène et les propriétés des matériaux sont déjà chargées et disponibles dans le shader.
• Implémentation de raytracing : La partie raytracing (tracer les rayons et trouver les intersections) n'est pas explicitement montrée dans cet exemple. Il est supposé être géré par une autre partie du code, par exemple en utilisant des compute shaders ou des extensions de raytracing matériel. L'exemple se concentre sur l'aspect de l'ombrage après qu'un rayon a intersecté une surface.
• Bruit : Le path tracing produit souvent des images bruitées, en particulier avec un petit nombre d'échantillons. Des techniques de réduction de la variance, telles que l'échantillonnage d'importance et l'échantillonnage stratifié, peuvent être utilisées pour réduire le bruit.

Rendu basé sur la physique (PBR)

Le rendu basé sur la physique (PBR) est une approche de rendu qui vise à simuler l'interaction de la lumière avec les matériaux d'une manière physiquement précise. Les matériaux PBR sont définis par des paramètres qui correspondent à des propriétés physiques du monde réel, telles que :

• Couleur de base (Albédo) : La couleur inhérente du matériau.
• Métallique : Indique si le matériau est métallique ou non métallique.
• Rugosité : Décrit la rugosité de la surface, qui affecte la quantité de réflexion spéculaire. Une surface rugueuse diffusera la lumière plus diffusement, tandis qu'une surface lisse produira des réflexions plus nettes.
• Spéculaire : Contrôle l'intensité de la réflexion spéculaire.
• Normal Map : Une texture qui stocke des vecteurs normaux, permettant la simulation d'une géométrie de surface détaillée sans augmenter réellement le nombre de polygones.

En utilisant des matériaux PBR, vous pouvez créer des effets d'éclairage plus réalistes et cohérents dans différents environnements. Lorsqu'il est combiné avec des techniques d'illumination globale, PBR peut produire des résultats exceptionnellement réalistes.

Intégration de PBR avec WebGL Raytracing GI

Pour intégrer PBR avec l'illumination globale par raytracing WebGL, vous devez utiliser les propriétés des matériaux PBR dans les calculs d'ombrage au sein de l'algorithme de raytracing.

Cela implique :

• Évaluation de la BRDF : La fonction de distribution de la réflectance bidirectionnelle (BRDF) décrit comment la lumière est réfléchie par une surface à un point donné. Les matériaux PBR utilisent des BRDF spécifiques qui sont basées sur des principes physiques, tels que la BRDF de Cook-Torrance.
• Échantillonnage de l'environnement : Lors du calcul de l'illumination globale, vous devez échantillonner l'environnement environnant pour estimer la quantité de lumière arrivant à la surface. Cela peut être fait en utilisant des cartes d'environnement ou en traçant des rayons pour échantillonner directement la scène.
• Application de la conservation de l'énergie : Les matériaux PBR conservent l'énergie, ce qui signifie que la quantité totale de lumière réfléchie par une surface ne peut pas dépasser la quantité de lumière qui l'atteint. Cette contrainte permet de garantir que l'éclairage semble réaliste.

La BRDF de Cook-Torrance est un choix populaire pour le rendu PBR car elle est relativement simple à implémenter et produit des résultats réalistes. Il se compose de trois composantes principales :

• Terme diffus : Représente la lumière qui est diffusée diffusément par la surface. Ceci est généralement calculé à l'aide de la loi du cosinus de Lambert.
• Terme spéculaire : Représente la lumière qui est réfléchie spéculairement par la surface. Cette composante est calculée à l'aide d'un modèle de microfacettes, qui suppose que la surface est composée de minuscules microfacettes parfaitement réfléchissantes.
• Fonction de géométrie : Tient compte du masquage et de l'ombrage des microfacettes.
• Terme de Fresnel : Décrit la quantité de lumière qui est réfléchie par la surface à différents angles.
• Fonction de distribution : Décrit la distribution des normales des microfacettes.

Considérations relatives aux performances

Le raytracing, en particulier avec l'illumination globale, est exigeant en termes de calcul. L'obtention de performances en temps réel dans WebGL nécessite une optimisation minutieuse et une prise en compte des capacités matérielles.

Voici quelques techniques clés d'optimisation des performances :

• Hiérarchies de volumes englobants (BVH) : Utilisez des BVH ou d'autres structures d'accélération spatiale pour réduire le nombre de tests d'intersection rayon-scène.
• Traitement par lots des rayons : Traitez les rayons par lots pour améliorer l'utilisation du GPU.
• Échantillonnage adaptatif : Utilisez des techniques d'échantillonnage adaptatif pour concentrer les ressources de calcul sur les zones de l'image qui nécessitent plus d'échantillons.
• Débruitage : Appliquez des algorithmes de débruitage pour réduire le bruit dans les images rendues, ce qui permet de réduire le nombre d'échantillons par pixel. L'accumulation temporelle peut également aider à débruiter l'image finale.
• Accélération matérielle : Tirez parti des extensions de raytracing matériel lorsqu'elles sont disponibles.
• Résolution inférieure : Effectuez un rendu à une résolution inférieure et mettez à l'échelle l'image pour améliorer les performances.
• Rendu progressif : Utilisez le rendu progressif pour afficher rapidement une image initiale de faible qualité, puis affinez-la progressivement au fil du temps.
• Optimiser les shaders : Optimisez soigneusement le code du shader pour réduire le coût de calcul des calculs d'ombrage.

Défis et orientations futures

Bien que l'illumination globale par raytracing WebGL offre un immense potentiel, plusieurs défis subsistent :

• Exigences matérielles : Les performances du raytracing dépendent fortement du matériel sous-jacent. Tous les appareils ne prennent pas en charge le raytracing matériel et les performances peuvent varier considérablement d'un GPU à l'autre.
• Complexité : L'implémentation d'algorithmes de raytracing et leur intégration avec des applications WebGL existantes peuvent être complexes et chronophages.
• Optimisation des performances : L'obtention de performances en temps réel nécessite des efforts importants d'optimisation et une prise en compte attentive des limitations matérielles.
• Prise en charge du navigateur : Une prise en charge cohérente du navigateur pour les extensions de raytracing est essentielle pour une adoption généralisée.

Malgré ces défis, l'avenir du raytracing WebGL semble prometteur. À mesure que le matériel et les logiciels continuent d'évoluer, nous pouvons nous attendre à voir des techniques de raytracing plus sophistiquées et performantes être incorporées dans les applications web. WebGPU jouera probablement un rôle majeur dans la réalisation de cet objectif.

Les futurs travaux de recherche et développement dans ce domaine pourraient se concentrer sur :

• Algorithmes de raytracing améliorés : Développement d'algorithmes de raytracing plus efficaces et robustes, bien adaptés aux environnements basés sur le web.
• Techniques de débruitage avancées : Création d'algorithmes de débruitage plus efficaces qui peuvent réduire le bruit dans les images raytracées avec un impact minimal sur les performances.
• Optimisation automatique : Développement d'outils et de techniques pour optimiser automatiquement les performances de raytracing en fonction des capacités matérielles et de la complexité de la scène.
• Intégration avec l'IA : Exploitation de l'IA et de l'apprentissage automatique pour améliorer les performances et la qualité du raytracing, par exemple en utilisant l'IA pour accélérer le débruitage ou pour échantillonner intelligemment la scène.

Conclusion

L'illumination globale par raytracing WebGL représente une étape importante vers l'obtention d'un éclairage physiquement précis dans les applications web. En tirant parti de la puissance du raytracing et de PBR, les développeurs peuvent créer des expériences 3D plus réalistes et immersives qui n'étaient autrefois possibles que dans des environnements de rendu hors ligne. Bien que des défis subsistent, les progrès constants du matériel et des logiciels ouvrent la voie à un avenir où le raytracing en temps réel devient une fonctionnalité standard des graphiques web. À mesure que la technologie mûrit, nous pouvons anticiper une nouvelle vague d'applications web visuellement époustouflantes et interactives qui estompent la frontière entre les mondes virtuels et réels. Des configurateurs de produits interactifs et des visualisations architecturales aux expériences de jeu immersives et aux applications de réalité virtuelle, l'illumination globale par raytracing WebGL a le potentiel de révolutionner la façon dont nous interagissons avec le contenu 3D sur le web.