WebGL Raytracing Global Illumination: Mencapai Pencahayaan Akurat Fisik dalam Aplikasi Web

Upaya mencapai realisme dalam grafik 3D telah mendorong inovasi berkelanjutan dalam teknik rendering. Raytracing, yang dulunya terbatas pada rendering offline karena tuntutan komputasinya, kini semakin mudah diakses dalam lingkungan real-time, berkat kemajuan dalam perangkat keras dan API seperti WebGL. Artikel ini menggali dunia global illumination raytracing WebGL yang menarik, mengeksplorasi bagaimana mencapai pencahayaan yang akurat secara fisik dalam aplikasi web.

Memahami Global Illumination

Global illumination (GI) mengacu pada serangkaian teknik rendering yang mensimulasikan cara cahaya memantul di sekitar suatu adegan, menciptakan pengalaman visual yang lebih realistis dan imersif. Tidak seperti pencahayaan langsung, yang hanya mempertimbangkan sumber cahaya yang langsung menerangi permukaan, GI memperhitungkan pencahayaan tidak langsung – cahaya yang dipantulkan, dibiaskan, atau dihamburkan dari permukaan lain di lingkungan. Ini termasuk efek seperti:

• Interrefleksi Difus: Cahaya memantul di antara permukaan difus, menghasilkan pewarnaan warna dan pencahayaan sekitar yang halus. Bayangkan dinding merah memancarkan rona merah samar ke lantai putih di dekatnya.
• Refleksi Spekular: Pantulan akurat dari sumber cahaya dan lingkungan sekitar pada permukaan yang mengkilap. Pikirkan pantulan jendela di bola logam yang dipoles.
• Refraksi: Cahaya membengkok saat melewati bahan transparan, menciptakan distorsi dan kaustik yang realistis. Pertimbangkan cara segelas air membengkokkan cahaya, menciptakan pola di permukaan bawah.
• Subsurface Scattering (SSS): Cahaya menembus bahan tembus pandang dan menghambur secara internal sebelum keluar, menghasilkan tampilan yang lembut dan bercahaya. Contohnya termasuk kulit, marmer, dan susu.

Mencapai global illumination yang realistis secara signifikan meningkatkan kualitas visual adegan 3D, membuatnya lebih meyakinkan dan menarik. Namun, mensimulasikan efek ini secara akurat membutuhkan komputasi yang intensif.

Raytracing: Jalan Menuju Pencahayaan Realistis

Raytracing adalah teknik rendering yang mensimulasikan perilaku cahaya dengan melacak sinar dari kamera (atau mata) melalui setiap piksel dalam gambar dan ke dalam adegan. Ketika sebuah sinar memotong permukaan, raytracer menentukan warna dan kecerahan titik itu dengan mempertimbangkan efek pencahayaan di lokasi itu. Proses ini dapat diulang secara rekursif untuk mensimulasikan pantulan, refraksi, dan interaksi cahaya kompleks lainnya.

Rendering berbasis rasterisasi tradisional, metode dominan dalam grafik real-time selama bertahun-tahun, mengaproksimasi global illumination melalui teknik seperti ambient occlusion, refleksi ruang layar, dan light probe. Meskipun metode ini dapat menghasilkan hasil yang menarik secara visual, seringkali mereka kekurangan akurasi dan kebenaran fisik dari raytracing.

Raytracing, di sisi lain, secara alami menangani efek global illumination dengan mengikuti jalur sinar cahaya saat mereka berinteraksi dengan adegan. Hal ini memungkinkan simulasi yang akurat dari refleksi, refraksi, dan fenomena transportasi cahaya kompleks lainnya.

WebGL dan Raytracing: Lanskap yang Berkembang

WebGL (Web Graphics Library) adalah API JavaScript untuk merender grafik 2D dan 3D interaktif dalam browser web yang kompatibel tanpa menggunakan plug-in. Ini memanfaatkan unit pemrosesan grafis (GPU) yang mendasar untuk mempercepat kinerja rendering. Secara tradisional, WebGL telah dikaitkan dengan rendering berbasis rasterisasi.

Namun, kemajuan terbaru dalam WebGL, terutama dengan pengenalan WebGL 2 dan ekstensi seperti GL_EXT_ray_tracing dan WEBGL_gpu_acceleration, membuka kemungkinan untuk menggabungkan teknik raytracing ke dalam aplikasi web. Ekstensi ini menyediakan akses ke fungsionalitas raytracing yang dipercepat GPU, memungkinkan pengembang untuk membuat pengalaman berbasis web yang lebih realistis dan menakjubkan secara visual.

Beberapa pendekatan ada untuk mengimplementasikan raytracing di WebGL:

• Compute Shaders: Compute shader memungkinkan komputasi serbaguna pada GPU. Algoritma raytracing dapat diimplementasikan menggunakan compute shader, melakukan pengujian irisan ray-scene dan menghitung efek pencahayaan. Pendekatan ini membutuhkan implementasi yang lebih manual tetapi menawarkan fleksibilitas dan kontrol.
• Ekstensi Raytracing yang Dipercepat Perangkat Keras: Ekstensi seperti GL_EXT_ray_tracing menyediakan akses langsung ke kemampuan raytracing perangkat keras, jika tersedia di perangkat pengguna. Pendekatan ini dapat secara signifikan meningkatkan kinerja dibandingkan dengan implementasi berbasis compute shader. Namun, ini bergantung pada ketersediaan perangkat keras dan dukungan driver tertentu.
• WebGPU: WebGPU adalah penerus WebGL, yang dirancang untuk menyediakan API yang lebih modern dan efisien untuk mengakses kemampuan GPU. WebGPU memiliki dukungan asli untuk raytracing, menjadikannya platform yang menjanjikan untuk aplikasi raytracing berbasis web di masa mendatang.

Mengimplementasikan WebGL Raytracing Global Illumination

Mengimplementasikan WebGL raytracing global illumination adalah upaya kompleks yang membutuhkan pemahaman yang kuat tentang prinsip-prinsip grafik komputer, algoritma raytracing, dan pemrograman WebGL.

Berikut adalah gambaran umum yang disederhanakan dari langkah-langkah yang terlibat:

1. Representasi Adegan: Representasikan adegan 3D menggunakan struktur data yang efisien untuk pengujian irisan ray-scene. Struktur data umum termasuk hirarki volume batas (BVH) dan pohon k-d. Struktur ini membantu mempercepat proses raytracing dengan dengan cepat membuang sebagian besar adegan yang kecil kemungkinannya akan dipotong oleh sinar tertentu.
2. Generasi Sinar: Hasilkan sinar dari kamera melalui setiap piksel dalam gambar. Arah setiap sinar ditentukan oleh posisi, orientasi, dan bidang pandang kamera.
3. Irisan Ray-Scene: Untuk setiap sinar, lakukan pengujian irisan terhadap semua objek dalam adegan. Ini melibatkan penentuan apakah sinar memotong setiap objek dan, jika demikian, menghitung titik irisannya.
4. Shading: Pada titik irisan, hitung warna dan kecerahan permukaan berdasarkan model pencahayaan. Ini melibatkan mempertimbangkan pencahayaan langsung dari sumber cahaya, serta pencahayaan tidak langsung dari efek global illumination.
5. Pengambilan Sampel Global Illumination: Untuk global illumination, pancarkan sinar tambahan dari titik irisan untuk mengambil sampel lingkungan sekitar. Sinar-sinar ini digunakan untuk memperkirakan jumlah cahaya yang tiba di titik tersebut dari permukaan lain dalam adegan. Teknik seperti path tracing, integrasi Monte Carlo, dan pengambilan sampel penting sering digunakan untuk secara efisien mengambil sampel transportasi cahaya.
6. Raytracing Rekursif: Ulangi secara rekursif langkah 3-5 untuk sinar refleksi dan refraksi, melacak jalur cahaya saat memantul di sekitar adegan. Kedalaman rekursi biasanya dibatasi untuk menghindari komputasi yang berlebihan.
7. Output: Output warna akhir untuk setiap piksel ke kanvas WebGL.

Path Tracing: Teknik GI yang Kuat

Path tracing adalah algoritma raytracing Monte Carlo yang mensimulasikan global illumination dengan melacak jalur cahaya acak melalui adegan. Ini adalah teknik yang secara konseptual sederhana tetapi kuat yang dapat menghasilkan hasil yang sangat realistis.

Dalam path tracing, alih-alih hanya melacak sinar dari kamera, sinar juga dilacak dari sumber cahaya. Sinar-sinar ini memantul di sekitar adegan, berinteraksi dengan permukaan, hingga akhirnya mencapai kamera. Warna setiap piksel kemudian ditentukan dengan merata-ratakan kontribusi dari semua jalur cahaya yang mencapai kamera melalui piksel itu.

Path tracing secara inheren adalah metode Monte Carlo, yang berarti bahwa ia mengandalkan pengambilan sampel acak untuk memperkirakan transportasi cahaya. Ini dapat menghasilkan gambar yang bising, terutama dengan sejumlah kecil sampel. Namun, kebisingan dapat dikurangi dengan meningkatkan jumlah sampel per piksel. Teknik rendering progresif, di mana gambar secara bertahap disempurnakan seiring waktu karena semakin banyak sampel terakumulasi, sering digunakan untuk meningkatkan pengalaman pengguna.

Contoh: Mengimplementasikan Global Illumination Difus dengan Path Tracing

Mari kita pertimbangkan contoh sederhana dari mengimplementasikan global illumination difus menggunakan path tracing di WebGL. Contoh ini berfokus pada konsep inti dari melacak sinar untuk mengumpulkan informasi pencahayaan tidak langsung.

Fragment Shader (Disederhanakan):

            #version 300 es
precision highp float;

in vec3 worldPosition;
in vec3 worldNormal;

uniform vec3 lightPosition;
uniform vec3 cameraPosition;

out vec4 fragColor;

// Pembangkit angka acak (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);

    // Pencahayaan Langsung (Disederhanakan)
    vec3 lightDir = normalize(lightPosition - worldPosition);
    float diffuse = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    vec3 directLighting = vec3(1.0, 1.0, 1.0) * diffuse;

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

        //  Disederhanakan: Asumsikan warna konstan untuk kesederhanaan (ganti dengan pengambilan sampel adegan yang sebenarnya)
        indirectLighting += vec3(0.5, 0.5, 0.5); // Contoh warna tidak langsung
    }
    indirectLighting /= float(numSamples);

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

            

              
                Copy
              
            
          

Penjelasan:

• Posisi dan Normal Dunia: Ini adalah atribut simpul yang diinterpolasi yang diteruskan dari vertex shader.
• Posisi Cahaya dan Posisi Kamera: Variabel seragam yang mewakili posisi sumber cahaya dan kamera.
• Pembangkit Angka Acak: Pembangkit kongruensial linier sederhana (LCG) digunakan untuk menghasilkan angka pseudo-acak untuk pengambilan sampel arah. RNG yang lebih baik harus digunakan dalam produksi.
• Arah Acak: Menghasilkan arah acak pada hemisfer di sekitar vektor normal. Ini digunakan untuk mengambil sampel cahaya yang masuk dari berbagai arah.
• Pencahayaan Langsung: Menghitung komponen difus dari pencahayaan langsung menggunakan produk titik dari normal dan arah cahaya.
• Pencahayaan Tidak Langsung (Path Tracing):
  • Loop mengulangi sejumlah kali yang ditentukan (numSamples).
  • Dalam setiap iterasi, arah acak dihasilkan menggunakan fungsi randomDirection.
  • Pengambilan Sampel Adegan Sederhana: Dalam contoh yang disederhanakan ini, kami mengasumsikan warna konstan untuk pencahayaan tidak langsung. Dalam implementasi nyata, Anda akan melacak sinar ke arah randomDir dan mengambil sampel warna objek yang berpotongan dengan sinar tersebut. Ini melibatkan raytracing rekursif, yang tidak ditampilkan dalam contoh yang disederhanakan ini.
  • Kontribusi pencahayaan tidak langsung diakumulasikan dan kemudian dibagi dengan jumlah sampel untuk mendapatkan rata-rata.
• Warna Akhir: Warna akhir dihitung dengan menambahkan komponen pencahayaan langsung dan tidak langsung.

Catatan Penting:

• Ini adalah contoh yang sangat disederhanakan. Penelusur jalur lengkap membutuhkan teknik yang lebih canggih untuk irisan ray-scene, evaluasi materi, dan pengurangan varians.
• Data Adegan: Contoh ini mengasumsikan bahwa properti geometri dan materi adegan sudah dimuat dan tersedia di shader.
• Implementasi Raytracing: Bagian raytracing (melacak sinar dan menemukan irisan) tidak ditampilkan secara eksplisit dalam contoh ini. Diasumsikan ditangani oleh beberapa bagian kode lainnya, seperti menggunakan compute shader atau ekstensi raytracing perangkat keras. Contoh berfokus pada aspek shading setelah sinar telah memotong permukaan.
• Noise: Path tracing sering menghasilkan gambar yang bising, terutama dengan sejumlah kecil sampel. Teknik pengurangan varians, seperti pengambilan sampel penting dan pengambilan sampel bertingkat, dapat digunakan untuk mengurangi kebisingan.

Rendering Berbasis Fisik (PBR)

Rendering Berbasis Fisik (PBR) adalah pendekatan rendering yang bertujuan untuk mensimulasikan interaksi cahaya dengan bahan secara fisik yang akurat. Bahan PBR didefinisikan oleh parameter yang sesuai dengan properti fisik dunia nyata, seperti:

• Warna Dasar (Albedo): Warna intrinsik dari bahan.
• Metalik: Menunjukkan apakah bahannya metalik atau non-metalik.
• Kekasaran: Menggambarkan kekasaran permukaan, yang memengaruhi jumlah refleksi spekular. Permukaan yang kasar akan menghamburkan cahaya lebih difus, sedangkan permukaan yang halus akan menghasilkan pantulan yang lebih tajam.
• Spekular: Mengontrol intensitas refleksi spekular.
• Peta Normal: Tekstur yang menyimpan vektor normal, memungkinkan simulasi geometri permukaan terperinci tanpa benar-benar meningkatkan jumlah poligon.

Dengan menggunakan bahan PBR, Anda dapat membuat efek pencahayaan yang lebih realistis dan konsisten di berbagai lingkungan. Bila dikombinasikan dengan teknik global illumination, PBR dapat menghasilkan hasil yang sangat realistis.

Mengintegrasikan PBR dengan WebGL Raytracing GI

Untuk mengintegrasikan PBR dengan WebGL raytracing global illumination, Anda perlu menggunakan properti material PBR dalam perhitungan shading dalam algoritma raytracing.

Ini melibatkan:

• Mengevaluasi BRDF: Fungsi Distribusi Reflektansi Dwiarah (BRDF) menjelaskan bagaimana cahaya dipantulkan dari permukaan pada titik tertentu. Bahan PBR menggunakan BRDF khusus yang didasarkan pada prinsip fisik, seperti BRDF Cook-Torrance.
• Pengambilan Sampel Lingkungan: Saat menghitung global illumination, Anda perlu mengambil sampel lingkungan sekitar untuk memperkirakan jumlah cahaya yang tiba di permukaan. Ini dapat dilakukan menggunakan peta lingkungan atau dengan melacak sinar untuk mengambil sampel adegan secara langsung.
• Menerapkan Konservasi Energi: Bahan PBR hemat energi, yang berarti bahwa jumlah total cahaya yang dipantulkan dari permukaan tidak dapat melebihi jumlah cahaya yang jatuh padanya. Batasan ini membantu memastikan bahwa pencahayaannya terlihat realistis.

BRDF Cook-Torrance adalah pilihan populer untuk rendering PBR karena relatif mudah diimplementasikan dan menghasilkan hasil yang realistis. Ini terdiri dari tiga komponen utama:

• Istilah Difus: Mewakili cahaya yang dihamburkan secara difus dari permukaan. Ini biasanya dihitung menggunakan hukum kosinus Lambert.
• Istilah Spekular: Mewakili cahaya yang dipantulkan secara spekular dari permukaan. Komponen ini dihitung menggunakan model mikrofacet, yang mengasumsikan bahwa permukaan terdiri dari mikrofacet kecil yang memantulkan dengan sempurna.
• Fungsi Geometri: Memperhitungkan penyamaran dan pembayangan mikrofacet.
• Istilah Fresnel: Menggambarkan jumlah cahaya yang dipantulkan dari permukaan pada sudut yang berbeda.
• Fungsi Distribusi: Menggambarkan distribusi normal mikrofacet.

Pertimbangan Kinerja

Raytracing, terutama dengan global illumination, membutuhkan banyak komputasi. Mencapai kinerja real-time di WebGL membutuhkan optimasi yang cermat dan pertimbangan kemampuan perangkat keras.

Berikut adalah beberapa teknik optimasi kinerja utama:

• Bounding Volume Hierarchies (BVH): Gunakan BVH atau struktur akselerasi spasial lainnya untuk mengurangi jumlah pengujian irisan ray-scene.
• Ray Batching: Proses sinar dalam batch untuk meningkatkan pemanfaatan GPU.
• Pengambilan Sampel Adaptif: Gunakan teknik pengambilan sampel adaptif untuk memfokuskan sumber daya komputasi pada area gambar yang membutuhkan lebih banyak sampel.
• Denoising: Terapkan algoritma denoising untuk mengurangi kebisingan dalam gambar yang dirender, memungkinkan lebih sedikit sampel per piksel. Akumulasi temporal juga dapat membantu mengurangi noise pada gambar akhir.
• Akselerasi Perangkat Keras: Manfaatkan ekstensi raytracing perangkat keras jika tersedia.
• Resolusi Lebih Rendah: Render pada resolusi yang lebih rendah dan tingkatkan gambar untuk meningkatkan kinerja.
• Rendering Progresif: Gunakan rendering progresif untuk menampilkan gambar berkualitas rendah awal dengan cepat dan kemudian secara bertahap memperbaikinya seiring waktu.
• Optimalkan Shader: Optimalkan kode shader dengan hati-hati untuk mengurangi biaya komputasi perhitungan shading.

Tantangan dan Arah Masa Depan

Sementara global illumination raytracing WebGL memiliki potensi besar, beberapa tantangan tetap ada:

• Persyaratan Perangkat Keras: Kinerja raytracing sangat bergantung pada perangkat keras yang mendasarinya. Tidak semua perangkat mendukung raytracing perangkat keras, dan kinerja dapat bervariasi secara signifikan di berbagai GPU.
• Kompleksitas: Mengimplementasikan algoritma raytracing dan mengintegrasikannya dengan aplikasi WebGL yang ada dapat menjadi kompleks dan memakan waktu.
• Optimasi Kinerja: Mencapai kinerja real-time membutuhkan upaya signifikan dalam optimasi dan pertimbangan yang cermat terhadap keterbatasan perangkat keras.
• Dukungan Browser: Dukungan browser yang konsisten untuk ekstensi raytracing sangat penting untuk adopsi luas.

Terlepas dari tantangan ini, masa depan WebGL raytracing tampak menjanjikan. Seiring perangkat keras dan perangkat lunak terus berkembang, kita dapat berharap untuk melihat teknik raytracing yang lebih canggih dan berkinerja tinggi dimasukkan ke dalam aplikasi web. WebGPU kemungkinan akan memainkan peran utama dalam mewujudkan hal ini.

Penelitian dan pengembangan di masa mendatang di bidang ini mungkin berfokus pada:

• Algoritma Raytracing yang Ditingkatkan: Mengembangkan algoritma raytracing yang lebih efisien dan kuat yang cocok untuk lingkungan berbasis web.
• Teknik Denoising Lanjutan: Membuat algoritma denoising yang lebih efektif yang dapat mengurangi noise dalam gambar yang di-raytrace dengan dampak kinerja minimal.
• Optimasi Otomatis: Mengembangkan alat dan teknik untuk secara otomatis mengoptimalkan kinerja raytracing berdasarkan kemampuan perangkat keras dan kompleksitas adegan.
• Integrasi dengan AI: Memanfaatkan AI dan pembelajaran mesin untuk meningkatkan kinerja dan kualitas raytracing, seperti menggunakan AI untuk mempercepat denoising atau untuk secara cerdas mengambil sampel adegan.

Kesimpulan

Global illumination raytracing WebGL mewakili langkah signifikan menuju pencapaian pencahayaan yang akurat secara fisik dalam aplikasi web. Dengan memanfaatkan kekuatan raytracing dan PBR, pengembang dapat menciptakan pengalaman 3D yang lebih realistis dan imersif yang dulunya hanya dimungkinkan di lingkungan rendering offline. Sementara tantangan tetap ada, kemajuan berkelanjutan dalam perangkat keras dan perangkat lunak membuka jalan bagi masa depan di mana raytracing real-time menjadi fitur standar dari grafik web. Seiring teknologi matang, kita dapat mengantisipasi gelombang baru aplikasi web yang menakjubkan dan interaktif secara visual yang mengaburkan batas antara dunia virtual dan nyata. Dari konfigurator produk interaktif dan visualisasi arsitektur hingga pengalaman bermain game yang imersif dan aplikasi realitas virtual, global illumination raytracing WebGL memiliki potensi untuk merevolusi cara kita berinteraksi dengan konten 3D di web.