WebGL Raytracing globalno osvjetljenje: Postizanje fizički preciznog osvjetljenja u web aplikacijama

Težnja za realizmom u 3D grafici pokreće kontinuirane inovacije u tehnikama renderiranja. Raytracing, nekada ograničen na offline renderiranje zbog svojih računarskih zahtjeva, sada postaje sve dostupniji u okruženjima u stvarnom vremenu, zahvaljujući napretku u hardveru i API-jima poput WebGL-a. Ovaj članak ulazi u fascinantan svijet WebGL raytracing globalnog osvjetljenja, istražujući kako postići fizički precizno osvjetljenje unutar web aplikacija.

Razumijevanje globalnog osvjetljenja

Globalno osvjetljenje (GI) odnosi se na skup tehnika renderiranja koje simuliraju način na koji se svjetlost odbija po sceni, stvarajući realističnije i imerzivnije vizualno iskustvo. Za razliku od direktnog osvjetljenja, koje uzima u obzir samo izvore svjetlosti koji direktno osvjetljavaju površine, GI uzima u obzir indirektno osvjetljenje – svjetlost koja se odbija, lomi ili raspršuje s drugih površina u okolini. To uključuje efekte poput:

• Difuzna međurefleksija: Svjetlost koja se odbija između difuznih površina, što rezultira prolijevanjem boje i suptilnim ambijentalnim osvjetljenjem. Zamislite crveni zid koji baca blagi crveni odsjaj na obližnji bijeli pod.
• Spekularna refleksija: Precizni odrazi izvora svjetlosti i okolnog okruženja na sjajnim površinama. Razmislite o odrazu prozora u poliranoj metalnoj kugli.
• Refrakcija: Savijanje svjetlosti dok prolazi kroz prozirne materijale, stvarajući realistične distorzije i kaustike. Razmislite o načinu na koji čaša vode savija svjetlost, stvarajući uzorke na površini ispod.
• Subsurface Scattering (SSS): Svjetlost koja prodire u prozirne materijale i raspršuje se interno prije izlaska, što rezultira mekim, osvijetljenim izgledom. Primjeri uključuju kožu, mramor i mlijeko.

Postizanje realističnog globalnog osvjetljenja značajno poboljšava vizualnu kvalitetu 3D scena, čineći ih vjerodostojnijim i privlačnijim. Međutim, precizno simuliranje ovih efekata je računski intenzivno.

Raytracing: Put do realističnog osvjetljenja

Raytracing je tehnika renderiranja koja simulira ponašanje svjetlosti praćenjem zraka od kamere (ili oka) kroz svaki piksel na slici i u scenu. Kada se zraka presiječe s površinom, raytracer određuje boju i svjetlinu te točke uzimajući u obzir svjetlosne efekte na toj lokaciji. Taj se proces može rekurzivno ponavljati kako bi se simulirale refleksije, refrakcije i druge složene interakcije svjetlosti.

Tradicionalno renderiranje temeljeno na rasterizaciji, dominantna metoda u grafici u stvarnom vremenu dugi niz godina, aproksimira globalno osvjetljenje kroz tehnike poput ambijentalne okluzije, refleksija u prostoru zaslona i svjetlosnih sondi. Iako ove metode mogu proizvesti vizualno privlačne rezultate, često im nedostaje preciznost i fizička ispravnost raytracinga.

Raytracing, s druge strane, prirodno obrađuje efekte globalnog osvjetljenja prateći putanje svjetlosnih zraka dok one interagiraju sa scenom. To omogućuje preciznu simulaciju refleksija, refrakcija i drugih složenih fenomena prijenosa svjetlosti.

WebGL i Raytracing: Krajolik u razvoju

WebGL (Web Graphics Library) je JavaScript API za renderiranje interaktivne 2D i 3D grafike unutar bilo kojeg kompatibilnog web preglednika bez upotrebe dodataka. Koristi temeljnu jedinicu za obradu grafike (GPU) za ubrzavanje performansi renderiranja. Tradicionalno, WebGL se povezivao s renderiranjem temeljenim na rasterizaciji.

Međutim, nedavna poboljšanja u WebGL-u, posebno uvođenjem WebGL 2 i proširenja poput GL_EXT_ray_tracing i WEBGL_gpu_acceleration, otvaraju mogućnosti za inkorporiranje raytracing tehnika u web aplikacije. Ova proširenja pružaju pristup GPU-ubrzanoj raytracing funkcionalnosti, omogućujući programerima da stvaraju realističnija i vizualno zadivljujuća web iskustva.

Postoji nekoliko pristupa za implementaciju raytracinga u WebGL-u:

• Compute Shaders: Compute shaderi omogućuju računanja opće namjene na GPU-u. Algoritmi raytracinga mogu se implementirati pomoću compute shadera, izvodeći testove presjeka zraka sa scenom i izračunavajući svjetlosne efekte. Ovaj pristup zahtijeva više ručne implementacije, ali nudi fleksibilnost i kontrolu.
• Proširenja za hardverski ubrzani raytracing: Proširenja poput GL_EXT_ray_tracing pružaju direktan pristup hardverskim mogućnostima raytracinga, ako su dostupna na korisnikovom uređaju. Ovaj pristup može značajno poboljšati performanse u usporedbi s implementacijama temeljenim na compute shaderima. Međutim, ovisi o dostupnosti specifičnog hardvera i podrške za upravljačke programe.
• WebGPU: WebGPU je nasljednik WebGL-a, dizajniran da pruži moderniji i učinkovitiji API za pristup GPU mogućnostima. WebGPU ima izvornu podršku za raytracing, što ga čini obećavajućom platformom za buduće web aplikacije temeljene na raytracingu.

Implementacija WebGL Raytracing globalnog osvjetljenja

Implementacija WebGL raytracing globalnog osvjetljenja je složen pothvat koji zahtijeva čvrsto razumijevanje principa računalne grafike, raytracing algoritama i WebGL programiranja.

Evo pojednostavljenog pregleda tipičnih koraka:

1. Predstavljanje scene: Predstavite 3D scenu koristeći podatkovne strukture koje su učinkovite za testove presjeka zraka sa scenom. Uobičajene podatkovne strukture uključuju hijerarhije graničnih volumena (BVH) i k-d stabla. Ove strukture pomažu ubrzati proces raytracinga brzim odbacivanjem velikih dijelova scene koji se vjerojatno neće presijecati s određenom zrakom.
2. Generiranje zraka: Generirajte zrake iz kamere kroz svaki piksel na slici. Smjer svake zrake određuje se položajem kamere, orijentacijom i vidnim poljem.
3. Presjek zrake sa scenom: Za svaku zraku, izvršite testove presjeka sa svim objektima u sceni. To uključuje određivanje presijeca li zraka svaki objekt i, ako da, izračunavanje točke presjeka.
4. Sjenčanje: Na točki presjeka, izračunajte boju i svjetlinu površine na temelju modela osvjetljenja. To uključuje razmatranje direktnog osvjetljenja iz izvora svjetlosti, kao i indirektnog osvjetljenja od efekata globalnog osvjetljenja.
5. Uzorkovanje globalnog osvjetljenja: Za globalno osvjetljenje, bacite dodatne zrake iz točke presjeka kako biste uzorkovali okolno okruženje. Te se zrake koriste za procjenu količine svjetlosti koja dolazi do točke s drugih površina u sceni. Tehnike poput praćenja putanje, Monte Carlo integracije i uzorkovanja važnosti često se koriste za učinkovito uzorkovanje prijenosa svjetlosti.
6. Rekurzivni Raytracing: Rekurzivno ponovite korake 3-5 za zrake refleksije i refrakcije, prateći putanje svjetlosti dok se odbija po sceni. Dubina rekurzije obično je ograničena kako bi se izbjeglo pretjerano računanje.
7. Izlaz: Izvezite konačnu boju za svaki piksel na WebGL platno.

Praćenje putanje: Moćna GI tehnika

Praćenje putanje je Monte Carlo raytracing algoritam koji simulira globalno osvjetljenje praćenjem slučajnih putanja svjetlosti kroz scenu. To je konceptualno jednostavna, ali moćna tehnika koja može proizvesti vrlo realistične rezultate.

U praćenju putanje, umjesto da se zrake prate samo iz kamere, zrake se prate i iz izvora svjetlosti. Te se zrake odbijaju po sceni, interagirajući s površinama, dok na kraju ne stignu do kamere. Boja svakog piksela se zatim određuje usrednjavanjem doprinosa svih putanja svjetlosti koje dosegnu kameru kroz taj piksel.

Praćenje putanje inherentno je Monte Carlo metoda, što znači da se oslanja na slučajno uzorkovanje za procjenu prijenosa svjetlosti. To može rezultirati bučnim slikama, posebno s malim brojem uzoraka. Međutim, šum se može smanjiti povećanjem broja uzoraka po pikselu. Tehnike progresivnog renderiranja, gdje se slika postupno poboljšava tijekom vremena kako se akumulira više uzoraka, često se koriste za poboljšanje korisničkog iskustva.

Primjer: Implementacija difuznog globalnog osvjetljenja s praćenjem putanje

Razmotrimo pojednostavljeni primjer implementacije difuznog globalnog osvjetljenja pomoću praćenja putanje u WebGL-u. Ovaj se primjer fokusira na temeljni koncept praćenja zraka za prikupljanje informacija o indirektnom osvjetljenju.

Fragment Shader (Pojednostavljeno):

            #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
              
            
          

Objašnjenje:

• Položaj i normala u svijetu: Ovo su interpolirani atributi vrha proslijeđeni iz vertex shadera.
• Položaj izvora svjetlosti i položaj kamere: Uniform varijable koje predstavljaju položaje izvora svjetlosti i kamere.
• Generator slučajnih brojeva: Jednostavan linearni kongruentni generator (LCG) koristi se za generiranje pseudo-slučajnih brojeva za uzorkovanje smjera. Bolji RNG bi se trebao koristiti u produkciji.
• Slučajni smjer: Generira slučajni smjer na hemisferi oko vektora normale. To se koristi za uzorkovanje dolaznog svjetla iz različitih smjerova.
• Direktno osvjetljenje: Izračunava difuznu komponentu direktnog osvjetljenja koristeći skalarni produkt normale i smjera svjetlosti.
• Indirektno osvjetljenje (Praćenje putanje):
  • Petlja se ponavlja određeni broj puta (numSamples).
  • U svakoj iteraciji generira se slučajni smjer pomoću funkcije randomDirection.
  • Pojednostavljeno uzorkovanje scene: U ovom pojednostavljenom primjeru, pretpostavljamo konstantnu boju za indirektno osvjetljenje. U stvarnoj implementaciji, pratili biste zraku u smjeru randomDir i uzorkovali boju objekta koji zraka presijeca. To uključuje rekurzivni raytracing, koji nije prikazan u ovom pojednostavljenom primjeru.
  • Doprinos indirektnog osvjetljenja se akumulira i zatim dijeli s brojem uzoraka kako bi se dobio prosjek.
• Konačna boja: Konačna boja se izračunava zbrajanjem direktnih i indirektnih komponenti osvjetljenja.

Važne napomene:

• Ovo je vrlo pojednostavljen primjer. Potpunom praćenju putanje potrebne su sofisticiranije tehnike za presjek zrake sa scenom, evaluaciju materijala i smanjenje varijance.
• Podaci o sceni: Ovaj primjer pretpostavlja da su geometrija scene i svojstva materijala već učitani i dostupni u shaderu.
• Implementacija Raytracinga: Dio raytracinga (praćenje zraka i pronalaženje presjeka) nije eksplicitno prikazan u ovom primjeru. Pretpostavlja se da ga obrađuje neki drugi dio koda, kao što su compute shaderi ili hardverska raytracing proširenja. Primjer se fokusira na aspekt sjenčanja nakon što se zraka presiječe s površinom.
• Šum: Praćenje putanje često proizvodi bučne slike, posebno s malim brojem uzoraka. Tehnike smanjenja varijance, poput uzorkovanja važnosti i stratificiranog uzorkovanja, mogu se koristiti za smanjenje šuma.

Fizički bazirano renderiranje (PBR)

Fizički bazirano renderiranje (PBR) je pristup renderiranju koji simulira interakciju svjetlosti s materijalima na fizički precizan način. PBR materijali definirani su parametrima koji odgovaraju fizičkim svojstvima iz stvarnog svijeta, kao što su:

• Osnovna boja (Albedo): Intrinzična boja materijala.
• Metalik: Označava je li materijal metalik ili nemetalik.
• Grubost: Opisuje hrapavost površine, što utječe na količinu spekularne refleksije. Hrapava površina će raspršivati svjetlost difuznije, dok će glatka površina proizvoditi oštrije refleksije.
• Spekularnost: Kontrolira intenzitet spekularne refleksije.
• Normalna mapa: Tekstura koja pohranjuje normalne vektore, omogućujući simulaciju detaljne geometrije površine bez stvarnog povećanja broja poligona.

Korištenjem PBR materijala možete stvoriti realističnije i dosljednije svjetlosne efekte u različitim okruženjima. U kombinaciji s tehnikama globalnog osvjetljenja, PBR može proizvesti iznimno realistične rezultate.

Integracija PBR-a s WebGL Raytracing GI

Za integraciju PBR-a s WebGL raytracing globalnim osvjetljenjem, potrebno je koristiti PBR svojstva materijala u izračunima sjenčanja unutar raytracing algoritma.

To uključuje:

• Evaluacija BRDF-a: Funkcija raspodjele bidirekcijske refleksije (BRDF) opisuje kako se svjetlost odbija od površine u određenoj točki. PBR materijali koriste specifične BRDF-ove koji se temelje na fizičkim principima, kao što je Cook-Torrance BRDF.
• Uzorkovanje okoline: Prilikom izračuna globalnog osvjetljenja, potrebno je uzorkovati okolinu kako bi se procijenila količina svjetlosti koja dolazi do površine. To se može učiniti pomoću mapa okoline ili praćenjem zraka za direktno uzorkovanje scene.
• Primjena očuvanja energije: PBR materijali čuvaju energiju, što znači da ukupna količina svjetlosti koja se odbija od površine ne može premašiti količinu svjetlosti koja pada na nju. Ovo ograničenje pomaže osigurati da osvjetljenje izgleda realistično.

Cook-Torrance BRDF je popularan izbor za PBR renderiranje jer je relativno jednostavan za implementaciju i proizvodi realistične rezultate. Sastoji se od tri glavne komponente:

• Difuzni termin: Predstavlja svjetlost koja se difuzno raspršuje s površine. To se obično izračunava koristeći Lambertov kosinusni zakon.
• Spekularni termin: Predstavlja svjetlost koja se spekularno reflektira s površine. Ova komponenta se izračunava koristeći model mikrofaceta, koji pretpostavlja da je površina sastavljena od sićušnih, savršeno reflektirajućih mikrofaceta.
• Geometrijska funkcija: Uzima u obzir maskiranje i sjenčanje mikrofaceta.
• Fresnelov termin: Opisuje količinu svjetlosti koja se reflektira s površine pod različitim kutovima.
• Funkcija distribucije: Opisuje raspodjelu normala mikrofaceta.

Razmatranja performansi

Raytracing, posebno s globalnim osvjetljenjem, je računski zahtjevan. Postizanje performansi u stvarnom vremenu u WebGL-u zahtijeva pažljivu optimizaciju i razmatranje hardverskih mogućnosti.

Evo nekoliko ključnih tehnika optimizacije performansi:

• Hijerarhije graničnih volumena (BVH): Koristite BVH-ove ili druge prostorne akceleracijske strukture kako biste smanjili broj testova presjeka zraka sa scenom.
• Grupno slanje zraka: Obrađujte zrake u skupinama kako biste poboljšali iskorištenost GPU-a.
• Adaptivno uzorkovanje: Koristite tehnike adaptivnog uzorkovanja za fokusiranje računalnih resursa na područja slike koja zahtijevaju više uzoraka.
• Uklanjanje šuma (Denoising): Primijenite algoritme za uklanjanje šuma kako biste smanjili šum u renderiranim slikama, omogućujući manje uzoraka po pikselu. Vremenska akumulacija također može pomoći u uklanjanju šuma s konačne slike.
• Hardversko ubrzanje: Iskoristite proširenja za hardverski raytracing kada su dostupna.
• Niža rezolucija: Renderirajte u nižoj rezoluciji i povećajte sliku kako biste poboljšali performanse.
• Progresivno renderiranje: Koristite progresivno renderiranje za brzo prikazivanje početne slike niske kvalitete, a zatim je postupno poboljšavajte tijekom vremena.
• Optimiziranje shadera: Pažljivo optimizirajte kod shadera kako biste smanjili računski trošak izračuna sjenčanja.

Izazovi i budući smjerovi

Iako WebGL raytracing globalno osvjetljenje ima ogroman potencijal, ostaju brojni izazovi:

• Hardverski zahtjevi: Performanse raytracinga uvelike ovise o temeljnom hardveru. Nemaju svi uređaji podršku za hardverski raytracing, a performanse se mogu značajno razlikovati na različitim GPU-ovima.
• Složenost: Implementacija raytracing algoritama i njihova integracija s postojećim WebGL aplikacijama može biti složena i dugotrajna.
• Optimizacija performansi: Postizanje performansi u stvarnom vremenu zahtijeva značajan trud u optimizaciji i pažljivo razmatranje hardverskih ograničenja.
• Podrška preglednika: Konzistentna podrška preglednika za proširenja raytracinga ključna je za široku primjenu.

Unatoč ovim izazovima, budućnost WebGL raytracinga izgleda obećavajuće. Kako se hardver i softver nastavljaju razvijati, možemo očekivati da ćemo vidjeti sofisticiranije i performantnije raytracing tehnike ugrađene u web aplikacije. WebGPU će vjerojatno igrati veliku ulogu u ostvarivanju toga.

Buduća istraživanja i razvoj u ovom području mogu se usredotočiti na:

• Poboljšani Raytracing algoritmi: Razvoj učinkovitijih i robusnijih raytracing algoritama koji su dobro prilagođeni za web okruženja.
• Napredne tehnike uklanjanja šuma: Stvaranje učinkovitijih algoritama za uklanjanje šuma koji mogu smanjiti šum u raytraced slikama s minimalnim utjecajem na performanse.
• Automatska optimizacija: Razvoj alata i tehnika za automatsko optimiziranje performansi raytracinga na temelju hardverskih mogućnosti i složenosti scene.
• Integracija s AI-jem: Korištenje AI-ja i strojnog učenja za poboljšanje performansi i kvalitete raytracinga, kao što je korištenje AI-ja za ubrzavanje uklanjanja šuma ili za inteligentno uzorkovanje scene.

Zaključak

WebGL raytracing globalno osvjetljenje predstavlja značajan korak prema postizanju fizički preciznog osvjetljenja u web aplikacijama. Korištenjem snage raytracinga i PBR-a, programeri mogu stvoriti realističnija i imerzivnija 3D iskustva koja su nekada bila moguća samo u offline okruženjima renderiranja. Iako izazovi ostaju, tekući napredak u hardveru i softveru utire put budućnosti u kojoj raytracing u stvarnom vremenu postaje standardna značajka web grafike. Kako tehnologija sazrijeva, možemo očekivati novi val vizualno zadivljujućih i interaktivnih web aplikacija koje brišu granicu između virtualnog i stvarnog svijeta. Od interaktivnih konfiguratora proizvoda i arhitektonskih vizualizacija do imerzivnih gaming iskustava i aplikacija virtualne stvarnosti, WebGL raytracing globalno osvjetljenje ima potencijal revolucionirati način na koji interagiramo s 3D sadržajem na webu.