WebGL Raytracing: Praćenje zraka u stvarnom vremenu s WebGL Compute Shaderima

Praćenje zraka (Ray tracing), tehnika renderiranja poznata po svojim fotorealističnim slikama, tradicionalno je bila računalno intenzivna i rezervirana za offline procese renderiranja. Međutim, napredak u GPU tehnologiji i uvođenje compute shadera otvorili su vrata praćenju zraka u stvarnom vremenu unutar WebGL-a, donoseći grafiku visoke vjernosti u web aplikacije. Ovaj članak pruža sveobuhvatan vodič za implementaciju praćenja zraka u stvarnom vremenu pomoću compute shadera u WebGL-u, ciljajući globalnu publiku programera zainteresiranih za pomicanje granica web grafike.

Što je praćenje zraka (Ray Tracing)?

Praćenje zraka simulira način na koji svjetlost putuje u stvarnom svijetu. Umjesto rasterizacije poligona, praćenje zraka ispaljuje zrake iz kamere (ili oka) kroz svaki piksel na zaslonu u scenu. Te zrake sijeku objekte, a na temelju svojstava materijala tih objekata, boja piksela određuje se izračunavanjem kako se svjetlost odbija i interagira s površinom. Ovaj proces može uključivati refleksije, refrakcije i sjene, što rezultira izuzetno realističnim slikama.

Ključni koncepti u praćenju zraka:

• Ispaljivanje zraka (Ray Casting): Proces ispaljivanja zraka iz kamere u scenu.
• Testovi presjeka: Određivanje gdje zraka siječe objekte u sceni.
• Normale površine: Vektori okomiti na površinu na točki presjeka, koriste se za izračun refleksije i refrakcije.
• Svojstva materijala: Definiraju kako površina interagira sa svjetlošću (npr. boja, reflektivnost, hrapavost).
• Zrake sjene: Zrake ispaljene iz točke presjeka prema izvorima svjetlosti kako bi se utvrdilo je li točka u sjeni.
• Zrake refleksije i refrakcije: Zrake ispaljene iz točke presjeka za simulaciju refleksija i refrakcija.

Zašto WebGL i Compute Shaderi?

WebGL pruža višeplatformski API za renderiranje 2D i 3D grafike u web pregledniku bez upotrebe dodataka (plug-ina). Compute shaderi, uvedeni s WebGL 2.0, omogućuju općenito računanje na GPU-u. To nam omogućuje da iskoristimo snagu paralelnog procesiranja GPU-a za učinkovito izvođenje izračuna praćenja zraka.

Prednosti korištenja WebGL-a za praćenje zraka:

• Višeplatformska kompatibilnost: WebGL radi u svakom modernom web pregledniku, neovisno o operativnom sustavu.
• Hardversko ubrzanje: Koristi GPU za brzo renderiranje.
• Nisu potrebni dodaci: Uklanja potrebu da korisnici instaliraju dodatni softver.
• Dostupnost: Čini praćenje zraka dostupnim široj publici putem weba.

Prednosti korištenja Compute Shadera:

• Paralelno procesiranje: Iskorištava masivno paralelnu arhitekturu GPU-a za učinkovite izračune praćenja zraka.
• Fleksibilnost: Omogućuje prilagođene algoritme i optimizacije prilagođene praćenju zraka.
• Izravan pristup GPU-u: Zaobilazi tradicionalni cjevovod renderiranja (rendering pipeline) za veću kontrolu.

Pregled implementacije

Implementacija praćenja zraka u WebGL-u pomoću compute shadera uključuje nekoliko ključnih koraka:

1. Postavljanje WebGL konteksta: Stvaranje WebGL konteksta i omogućavanje potrebnih ekstenzija (WebGL 2.0 je potreban).
2. Stvaranje Compute Shadera: Pisanje GLSL koda za compute shader koji izvodi izračune praćenja zraka.
3. Stvaranje Shader Storage Buffer objekata (SSBOs): Alociranje memorije na GPU-u za pohranu podataka o sceni, podacima o zrakama i konačnoj slici.
4. Pokretanje Compute Shadera: Pokretanje compute shadera za obradu podataka.
5. Čitanje rezultata: Dohvaćanje renderirane slike iz SSBO-a i prikazivanje na zaslonu.

Detaljni koraci implementacije

1. Postavljanje WebGL konteksta

Prvi korak je stvaranje WebGL 2.0 konteksta. To uključuje dobivanje canvas elementa iz HTML-a i zatim zahtijevanje WebGL2RenderingContexta. Rukovanje pogreškama je ključno kako bi se osiguralo da je kontekst uspješno stvoren.

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

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

              
                Copy
              
            
          

2. Stvaranje Compute Shadera

Jezgra programa za praćenje zraka je compute shader, napisan u GLSL-u. Ovaj shader će biti odgovoran za ispaljivanje zraka, izvođenje testova presjeka i izračunavanje boje svakog piksela. Compute shader će raditi na mreži radnih grupa (workgroups), od kojih svaka obrađuje malu regiju slike.

Ovdje je pojednostavljeni primjer compute shadera koji izračunava osnovnu boju na temelju koordinata piksela:

            #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
              
            
          

Ovaj shader definira veličinu radne grupe od 8x8, izlazni međuspremnik (buffer) nazvan `pixels` i uniformnu varijablu za razlučivost zaslona. Svaka radna stavka (piksel) izračunava svoju boju na temelju svoje pozicije i zapisuje je u izlazni međuspremnik.

3. Stvaranje Shader Storage Buffer objekata (SSBOs)

SSBO-i se koriste za pohranu podataka koji se dijele između CPU-a i GPU-a. U ovom slučaju, koristit ćemo SSBO-e za pohranu podataka o sceni (npr. vrhovi trokuta, svojstva materijala), podacima o zrakama i konačnoj renderiranoj slici. Stvorite SSBO, povežite ga s točkom vezivanja (binding point) i popunite ga početnim podacima.

            // 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. Pokretanje Compute Shadera

Da bismo pokrenuli compute shader, moramo ga "poslati" (dispatch). To uključuje specificiranje broja radnih grupa koje treba pokrenuti u svakoj dimenziji. Broj radnih grupa određuje se dijeljenjem ukupnog broja piksela s veličinom radne grupe definiranom u shaderu.

            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` pokreće compute shader. `gl.memoryBarrier` osigurava da je GPU završio s pisanjem u SSBO prije nego što ga CPU pokuša pročitati.

5. Čitanje rezultata

Nakon što je compute shader završio s izvođenjem, moramo pročitati renderiranu sliku iz SSBO-a natrag u CPU. To uključuje stvaranje međuspremnika na CPU-u i zatim korištenje `gl.getBufferSubData` za kopiranje podataka iz SSBO-a u CPU međuspremnik. Konačno, stvorite element slike koristeći te podatke.

            // 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
              
            
          

Prikaz scene i akceleracijske strukture

Ključan aspekt praćenja zraka je učinkovito pronalaženje točaka presjeka između zraka i objekata u sceni. Brute-force testovi presjeka, gdje se svaka zraka testira protiv svakog objekta, računalno su skupi. Za poboljšanje performansi, koriste se akceleracijske strukture za organiziranje podataka o sceni i brzo odbacivanje objekata za koje je malo vjerojatno da će se presjeći s danom zrakom.

Uobičajene akceleracijske strukture:

• Hijerarhija ograničavajućih volumena (BVH): Hijerarhijska struktura stabla gdje svaki čvor predstavlja ograničavajući volumen koji obuhvaća skup objekata. To omogućuje brzo odbacivanje velikih dijelova scene.
• Kd-stablo: Struktura podataka za particioniranje prostora koja rekurzivno dijeli scenu na manje regije.
• Prostorno heširanje: Dijeli scenu na mrežu ćelija i pohranjuje objekte u ćelijama koje sijeku.

Za praćenje zraka u WebGL-u, BVH-ovi su često preferirani izbor zbog njihove relativno jednostavne implementacije i dobrih performansi. Implementacija BVH-a uključuje sljedeće korake:

1. Izračun ograničavajućeg okvira (Bounding Box): Izračunajte ograničavajući okvir za svaki objekt u sceni (npr. trokute).
2. Konstrukcija stabla: Rekurzivno dijelite scenu na manje ograničavajuće okvire dok svaki list čvor ne sadrži mali broj objekata. Uobičajeni kriteriji za podjelu uključuju središnju točku najduže osi ili heuristiku površine (SAH).
3. Prolazak (Traversal): Prolazite kroz BVH tijekom praćenja zraka, počevši od korijenskog čvora. Ako zraka siječe ograničavajući okvir čvora, rekurzivno prođite kroz njegovu djecu. Ako zraka siječe list čvor, izvršite testove presjeka s objektima sadržanim u tom čvoru.

Primjer BVH strukture u GLSL-u (pojednostavljeno):

            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
              
            
          

Presjek zrake i trokuta

Najosnovniji test presjeka u praćenju zraka je presjek zrake i trokuta. Postoje brojni algoritmi za izvođenje ovog testa, uključujući Möller–Trumbore algoritam, koji se široko koristi zbog svoje učinkovitosti i jednostavnosti.

Möller–Trumbore algoritam:

Möller–Trumbore algoritam izračunava točku presjeka zrake s trokutom rješavanjem sustava linearnih jednadžbi. Uključuje izračunavanje baricentričnih koordinata, koje određuju položaj točke presjeka unutar trokuta. Ako su baricentrične koordinate unutar raspona [0, 1] i njihov zbroj je manji ili jednak 1, zraka siječe trokut.

Primjer GLSL koda:

            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
              
            
          

Sjenčanje i osvjetljenje

Nakon što se pronađe točka presjeka, sljedeći korak je izračunavanje boje piksela. To uključuje određivanje kako svjetlost interagira s površinom na točki presjeka. Uobičajeni modeli sjenčanja uključuju:

• Phong sjenčanje: Jednostavan model sjenčanja koji izračunava difuznu i spekularnu komponentu svjetlosti.
• Blinn-Phong sjenčanje: Poboljšanje Phong sjenčanja koje koristi polovični vektor (halfway vector) za izračun spekularne komponente.
• Fizički bazirano renderiranje (PBR): Realističniji model sjenčanja koji uzima u obzir fizikalna svojstva materijala.

Praćenje zraka omogućuje naprednije svjetlosne efekte od rasterizacije, kao što su globalna iluminacija, refleksije i refrakcije. Ovi se efekti mogu implementirati ispaljivanjem dodatnih zraka iz točke presjeka.

Primjer: Izračun difuznog osvjetljenja

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

            

              
                Copy
              
            
          

Razmatranja o performansama i optimizacije

Praćenje zraka je računalno intenzivno, a postizanje performansi u stvarnom vremenu u WebGL-u zahtijeva pažljivu optimizaciju. Evo nekoliko ključnih tehnika:

• Akceleracijske strukture: Kao što je ranije spomenuto, korištenje akceleracijskih struktura poput BVH-ova ključno je za smanjenje broja testova presjeka.
• Rano prekidanje zrake: Prekinite zrake rano ako ne doprinose značajno konačnoj slici. Na primjer, zrake sjene mogu se prekinuti čim pogode objekt.
• Adaptivno uzorkovanje: Koristite varijabilan broj uzoraka po pikselu, ovisno o složenosti scene. Regije s visokim detaljima ili složenim osvjetljenjem mogu se renderirati s više uzoraka.
• Uklanjanje šuma (Denoising): Koristite algoritme za uklanjanje šuma kako biste smanjili šum u renderiranoj slici, omogućujući manji broj uzoraka po pikselu.
• Optimizacije Compute Shadera: Optimizirajte kod compute shadera minimiziranjem pristupa memoriji, korištenjem vektorskih operacija i izbjegavanjem grananja.
• Podešavanje veličine radne grupe: Eksperimentirajte s različitim veličinama radnih grupa kako biste pronašli optimalnu konfiguraciju za ciljani GPU.
• Korištenje hardverskog praćenja zraka (ako je dostupno): Neki GPU-ovi sada nude namjenski hardver za praćenje zraka. Provjerite i iskoristite ekstenzije koje izlažu ovu funkcionalnost u WebGL-u.

Globalni primjeri i primjene

Praćenje zraka u WebGL-u ima brojne potencijalne primjene u raznim industrijama na globalnoj razini:

• Igre: Poboljšajte vizualnu vjernost web igara s realističnim osvjetljenjem, refleksijama i sjenama.
• Vizualizacija proizvoda: Stvorite interaktivne 3D modele proizvoda s fotorealističnim renderiranjem za e-trgovinu i marketing. Na primjer, tvrtka za namještaj u Švedskoj mogla bi omogućiti kupcima da vizualiziraju namještaj u svojim domovima s preciznim osvjetljenjem i refleksijama.
• Arhitektonska vizualizacija: Vizualizirajte arhitektonske projekte s realističnim osvjetljenjem i materijalima. Arhitektonski ured u Dubaiju mogao bi koristiti praćenje zraka za prikazivanje projekata zgrada s točnim simulacijama sunčeve svjetlosti i sjena.
• Virtualna stvarnost (VR) i proširena stvarnost (AR): Poboljšajte realizam VR i AR iskustava uključivanjem efekata praćenja zraka. Na primjer, muzej u Londonu mogao bi ponuditi VR obilazak s poboljšanim vizualnim detaljima putem praćenja zraka.
• Znanstvena vizualizacija: Vizualizirajte složene znanstvene podatke s realističnim tehnikama renderiranja. Istraživački laboratorij u Japanu mogao bi koristiti praćenje zraka za vizualizaciju molekularnih struktura s preciznim osvjetljenjem i sjenama.
• Obrazovanje: Razvijte interaktivne obrazovne alate koji demonstriraju principe optike i prijenosa svjetlosti.

Izazovi i budući smjerovi

Iako praćenje zraka u stvarnom vremenu u WebGL-u postaje sve izvedivije, ostaje nekoliko izazova:

• Performanse: Postizanje visokog broja sličica u sekundi (frame rate) sa složenim scenama i dalje je izazov.
• Složenost: Implementacija potpunog programa za praćenje zraka zahtijeva značajan programerski napor.
• Hardverska podrška: Ne podržavaju svi GPU-ovi potrebne ekstenzije za compute shadere ili hardversko praćenje zraka.

Budući smjerovi za praćenje zraka u WebGL-u uključuju:

• Poboljšana hardverska podrška: Kako sve više GPU-ova bude uključivalo namjenski hardver za praćenje zraka, performanse će se značajno poboljšati.
• Standardizirani API-ji: Razvoj standardiziranih API-ja za hardversko praćenje zraka u WebGL-u pojednostavit će proces implementacije.
• Napredne tehnike uklanjanja šuma: Sofisticiraniji algoritmi za uklanjanje šuma omogućit će slike više kvalitete s manjim brojem uzoraka.
• Integracija s WebAssemblyjem (Wasm): Korištenje WebAssemblyja za implementaciju računalno intenzivnih dijelova programa za praćenje zraka moglo bi poboljšati performanse.

Zaključak

Praćenje zraka u stvarnom vremenu u WebGL-u pomoću compute shadera je polje koje se brzo razvija s potencijalom da revolucionira web grafiku. Razumijevanjem osnova praćenja zraka, iskorištavanjem snage compute shadera i primjenom tehnika optimizacije, programeri mogu stvoriti zapanjujuća vizualna iskustva koja su se nekada smatrala nemogućima u web pregledniku. Kako se hardver i softver nastavljaju poboljšavati, možemo očekivati još impresivnije primjene praćenja zraka na webu u godinama koje dolaze, dostupne globalnoj publici s bilo kojeg uređaja s modernim preglednikom.

Ovaj vodič pružio je sveobuhvatan pregled koncepata i tehnika uključenih u implementaciju praćenja zraka u stvarnom vremenu u WebGL-u. Potičemo programere širom svijeta da eksperimentiraju s ovim tehnikama i doprinesu napretku web grafike.