Raytracing WebGL: Ray Tracing Real-Time dengan Compute Shader WebGL

Ray tracing, sebuah teknik rendering yang terkenal dengan gambar fotorealistisnya, secara tradisional sangat intensif secara komputasi dan hanya digunakan untuk proses rendering offline. Namun, kemajuan dalam teknologi GPU dan pengenalan compute shader telah membuka pintu untuk ray tracing real-time dalam WebGL, membawa grafis berketepatan tinggi ke aplikasi berbasis web. Artikel ini memberikan panduan komprehensif untuk mengimplementasikan ray tracing real-time menggunakan compute shader di WebGL, menargetkan audiens global para developer yang tertarik untuk mendorong batas-batas grafis web.

Apa itu Ray Tracing?

Ray tracing menyimulasikan cara cahaya bergerak di dunia nyata. Alih-alih merasterisasi poligon, ray tracing menembakkan sinar dari kamera (atau mata) melalui setiap piksel di layar dan ke dalam adegan. Sinar-sinar ini berpotongan dengan objek, dan berdasarkan properti material objek tersebut, warna piksel ditentukan dengan menghitung bagaimana cahaya memantul dan berinteraksi dengan permukaan. Proses ini dapat mencakup pantulan, pembiasan, dan bayangan, yang menghasilkan gambar yang sangat realistis.

Konsep Kunci dalam Ray Tracing:

• Ray Casting: Proses menembakkan sinar dari kamera ke dalam adegan.
• Uji Perpotongan (Intersection Tests): Menentukan di mana sinar berpotongan dengan objek dalam adegan.
• Normal Permukaan (Surface Normals): Vektor yang tegak lurus terhadap permukaan pada titik perpotongan, digunakan untuk menghitung pantulan dan pembiasan.
• Properti Material: Mendefinisikan bagaimana permukaan berinteraksi dengan cahaya (misalnya, warna, reflektivitas, kekasaran).
• Sinar Bayangan (Shadow Rays): Sinar yang ditembakkan dari titik perpotongan ke sumber cahaya untuk menentukan apakah titik tersebut berada dalam bayangan.
• Sinar Pantulan dan Pembiasan: Sinar yang ditembakkan dari titik perpotongan untuk menyimulasikan pantulan dan pembiasan.

Mengapa WebGL dan Compute Shader?

WebGL menyediakan API lintas platform untuk me-render grafis 2D dan 3D di browser web tanpa menggunakan plug-in. Compute shader, yang diperkenalkan dengan WebGL 2.0, memungkinkan komputasi serbaguna pada GPU. Ini memungkinkan kita untuk memanfaatkan kekuatan pemrosesan paralel dari GPU untuk melakukan perhitungan ray tracing secara efisien.

Keuntungan Menggunakan WebGL untuk Ray Tracing:

• Kompatibilitas Lintas Platform: WebGL berfungsi di browser web modern mana pun, terlepas dari sistem operasinya.
• Akselerasi Perangkat Keras: Memanfaatkan GPU untuk rendering yang cepat.
• Tidak Memerlukan Plugin: Menghilangkan kebutuhan pengguna untuk menginstal perangkat lunak tambahan.
• Aksesibilitas: Membuat ray tracing dapat diakses oleh audiens yang lebih luas melalui web.

Keuntungan Menggunakan Compute Shader:

• Pemrosesan Paralel: Mengeksploitasi arsitektur paralel masif GPU untuk perhitungan ray tracing yang efisien.
• Fleksibilitas: Memungkinkan algoritma kustom dan optimisasi yang disesuaikan untuk ray tracing.
• Akses GPU Langsung: Melewati pipeline rendering tradisional untuk kontrol yang lebih besar.

Gambaran Umum Implementasi

Mengimplementasikan ray tracing di WebGL menggunakan compute shader melibatkan beberapa langkah kunci:

1. Menyiapkan Konteks WebGL: Membuat konteks WebGL dan mengaktifkan ekstensi yang diperlukan (WebGL 2.0 dibutuhkan).
2. Membuat Compute Shader: Menulis kode GLSL untuk compute shader yang melakukan perhitungan ray tracing.
3. Membuat Shader Storage Buffer Objects (SSBO): Mengalokasikan memori pada GPU untuk menyimpan data adegan, data sinar, dan gambar akhir.
4. Mengirimkan Compute Shader: Meluncurkan compute shader untuk memproses data.
5. Membaca Kembali Hasil: Mengambil gambar yang telah di-render dari SSBO dan menampilkannya di layar.

Langkah-langkah Implementasi Detail

1. Menyiapkan Konteks WebGL

Langkah pertama adalah membuat konteks WebGL 2.0. Ini melibatkan pengambilan elemen canvas dari HTML dan kemudian meminta WebGL2RenderingContext. Penanganan error sangat penting untuk memastikan konteks berhasil dibuat.

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

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

              
                Copy
              
            
          

2. Membuat Compute Shader

Inti dari ray tracer adalah compute shader, yang ditulis dalam GLSL. Shader ini akan bertanggung jawab untuk menembakkan sinar, melakukan uji perpotongan, dan menghitung warna setiap piksel. Compute shader akan beroperasi pada grid workgroup, di mana setiap workgroup memproses wilayah kecil dari gambar.

Berikut adalah contoh sederhana dari compute shader yang menghitung warna dasar berdasarkan koordinat piksel:

            #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
              
            
          

Shader ini mendefinisikan ukuran workgroup 8x8, buffer output bernama `pixels`, dan variabel uniform untuk resolusi layar. Setiap item kerja (piksel) menghitung warnanya berdasarkan posisinya dan menuliskannya ke buffer output.

3. Membuat Shader Storage Buffer Objects (SSBO)

SSBO digunakan untuk menyimpan data yang dibagikan antara CPU dan GPU. Dalam kasus ini, kita akan menggunakan SSBO untuk menyimpan data adegan (misalnya, verteks segitiga, properti material), data sinar, dan gambar akhir yang telah di-render. Buat SSBO, ikat ke titik pengikatan (binding point), dan isi dengan data awal.

            // 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. Mengirimkan Compute Shader

Untuk menjalankan compute shader, kita perlu mengirimkannya (dispatch). Ini melibatkan penentuan jumlah workgroup yang akan diluncurkan di setiap dimensi. Jumlah workgroup ditentukan dengan membagi jumlah total piksel dengan ukuran workgroup yang didefinisikan dalam shader.

            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` meluncurkan compute shader. `gl.memoryBarrier` memastikan bahwa GPU telah selesai menulis ke SSBO sebelum CPU mencoba membacanya.

5. Membaca Kembali Hasil

Setelah compute shader selesai dieksekusi, kita perlu membaca gambar yang telah di-render dari SSBO kembali ke CPU. Ini melibatkan pembuatan buffer pada CPU dan kemudian menggunakan `gl.getBufferSubData` untuk menyalin data dari SSBO ke buffer CPU. Terakhir, buat elemen gambar menggunakan data tersebut.

            // 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
              
            
          

Representasi Adegan dan Struktur Akselerasi

Aspek krusial dari ray tracing adalah menemukan titik perpotongan antara sinar dan objek dalam adegan secara efisien. Uji perpotongan brute-force, di mana setiap sinar diuji terhadap setiap objek, sangat mahal secara komputasi. Untuk meningkatkan performa, struktur akselerasi digunakan untuk mengatur data adegan dan dengan cepat membuang objek yang kemungkinan besar tidak akan berpotongan dengan sinar tertentu.

Struktur Akselerasi Umum:

• Bounding Volume Hierarchy (BVH): Struktur pohon hierarkis di mana setiap node mewakili volume pembatas (bounding volume) yang melingkupi sekumpulan objek. Ini memungkinkan penolakan sebagian besar adegan dengan cepat.
• Kd-Tree: Struktur data partisi ruang yang secara rekursif membagi adegan menjadi wilayah-wilayah yang lebih kecil.
• Spatial Hashing: Membagi adegan menjadi grid sel dan menyimpan objek di dalam sel yang mereka potong.

Untuk ray tracing WebGL, BVH sering menjadi pilihan utama karena kemudahan implementasi relatif dan performa yang baik. Mengimplementasikan BVH melibatkan langkah-langkah berikut:

1. Perhitungan Bounding Box: Hitung bounding box untuk setiap objek dalam adegan (misalnya, segitiga).
2. Konstruksi Pohon: Secara rekursif bagi adegan menjadi bounding box yang lebih kecil hingga setiap node daun berisi sejumlah kecil objek. Kriteria pembagian umum termasuk titik tengah sumbu terpanjang atau surface area heuristic (SAH).
3. Penelusuran (Traversal): Telusuri BVH selama proses ray tracing, dimulai dari node akar. Jika sinar memotong bounding box suatu node, telusuri anak-anaknya secara rekursif. Jika sinar memotong node daun, lakukan uji perpotongan terhadap objek yang terkandung dalam node tersebut.

Contoh struktur BVH dalam GLSL (disederhanakan):

            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
              
            
          

Perpotongan Sinar-Segitiga

Uji perpotongan paling mendasar dalam ray tracing adalah perpotongan sinar-segitiga. Ada banyak algoritma untuk melakukan pengujian ini, termasuk algoritma Möller–Trumbore, yang banyak digunakan karena efisiensi dan kesederhanaannya.

Algoritma Möller–Trumbore:

Algoritma Möller–Trumbore menghitung titik perpotongan sinar dengan segitiga dengan menyelesaikan sistem persamaan linear. Ini melibatkan penghitungan koordinat barycentric, yang menentukan posisi titik perpotongan di dalam segitiga. Jika koordinat barycentric berada dalam rentang [0, 1] dan jumlahnya kurang dari atau sama dengan 1, maka sinar tersebut memotong segitiga.

Contoh kode GLSL:

            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
              
            
          

Shading dan Pencahayaan

Setelah titik perpotongan ditemukan, langkah selanjutnya adalah menghitung warna piksel. Ini melibatkan penentuan bagaimana cahaya berinteraksi dengan permukaan pada titik perpotongan. Model shading yang umum meliputi:

• Phong Shading: Model shading sederhana yang menghitung komponen difus dan spekular dari cahaya.
• Blinn-Phong Shading: Peningkatan dari Phong shading yang menggunakan vektor tengah (halfway vector) untuk menghitung komponen spekular.
• Physically Based Rendering (PBR): Model shading yang lebih realistis yang memperhitungkan sifat fisik material.

Ray tracing memungkinkan efek pencahayaan yang lebih canggih daripada rasterisasi, seperti iluminasi global, pantulan, dan pembiasan. Efek-efek ini dapat diimplementasikan dengan menembakkan sinar tambahan dari titik perpotongan.

Contoh: Menghitung Pencahayaan Difus

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

            

              
                Copy
              
            
          

Pertimbangan Performa dan Optimisasi

Ray tracing sangat intensif secara komputasi, dan mencapai performa real-time di WebGL memerlukan optimisasi yang cermat. Berikut adalah beberapa teknik kunci:

• Struktur Akselerasi: Seperti yang disebutkan sebelumnya, menggunakan struktur akselerasi seperti BVH sangat penting untuk mengurangi jumlah uji perpotongan.
• Penghentian Sinar Dini: Hentikan sinar lebih awal jika tidak memberikan kontribusi signifikan pada gambar akhir. Misalnya, sinar bayangan dapat dihentikan begitu menabrak objek.
• Sampling Adaptif: Gunakan jumlah sampel per piksel yang bervariasi, tergantung pada kompleksitas adegan. Area dengan detail tinggi atau pencahayaan kompleks dapat di-render dengan lebih banyak sampel.
• Denoising: Gunakan algoritma denoising untuk mengurangi noise pada gambar yang di-render, memungkinkan lebih sedikit sampel per piksel.
• Optimisasi Compute Shader: Optimalkan kode compute shader dengan meminimalkan akses memori, menggunakan operasi vektor, dan menghindari percabangan.
• Penyesuaian Ukuran Workgroup: Eksperimen dengan ukuran workgroup yang berbeda untuk menemukan konfigurasi optimal untuk GPU target.
• Penggunaan Ray Tracing Perangkat Keras (jika tersedia): Beberapa GPU sekarang menawarkan perangkat keras khusus untuk ray tracing. Periksa dan manfaatkan ekstensi yang mengekspos fungsionalitas ini di WebGL.

Contoh dan Aplikasi Global

Ray tracing di WebGL memiliki banyak potensi aplikasi di berbagai industri secara global:

• Game: Meningkatkan ketepatan visual game berbasis web dengan pencahayaan, pantulan, dan bayangan yang realistis.
• Visualisasi Produk: Membuat model 3D interaktif produk dengan rendering fotorealistis untuk e-commerce dan pemasaran. Misalnya, perusahaan furnitur di Swedia dapat memungkinkan pelanggan memvisualisasikan furnitur di rumah mereka dengan pencahayaan dan pantulan yang akurat.
• Visualisasi Arsitektur: Memvisualisasikan desain arsitektur dengan pencahayaan dan material yang realistis. Sebuah firma arsitektur di Dubai dapat menggunakan ray tracing untuk menampilkan desain bangunan dengan simulasi sinar matahari dan bayangan yang akurat.
• Virtual Reality (VR) dan Augmented Reality (AR): Meningkatkan realisme pengalaman VR dan AR dengan menggabungkan efek ray-traced. Misalnya, sebuah museum di London dapat menawarkan tur VR dengan detail visual yang ditingkatkan melalui ray tracing.
• Visualisasi Ilmiah: Memvisualisasikan data ilmiah yang kompleks dengan teknik rendering yang realistis. Laboratorium penelitian di Jepang dapat menggunakan ray tracing untuk memvisualisasikan struktur molekul dengan pencahayaan dan bayangan yang akurat.
• Pendidikan: Mengembangkan alat pendidikan interaktif yang mendemonstrasikan prinsip-prinsip optik dan transpor cahaya.

Tantangan dan Arah Masa Depan

Meskipun ray tracing real-time di WebGL menjadi semakin memungkinkan, beberapa tantangan masih ada:

• Performa: Mencapai frame rate yang tinggi dengan adegan yang kompleks masih menjadi tantangan.
• Kompleksitas: Mengimplementasikan ray tracer yang lengkap memerlukan upaya pemrograman yang signifikan.
• Dukungan Perangkat Keras: Tidak semua GPU mendukung ekstensi yang diperlukan untuk compute shader atau ray tracing perangkat keras.

Arah masa depan untuk ray tracing WebGL meliputi:

• Dukungan Perangkat Keras yang Ditingkatkan: Seiring semakin banyaknya GPU yang menyertakan perangkat keras ray tracing khusus, performa akan meningkat secara signifikan.
• API Standar: Pengembangan API standar untuk ray tracing perangkat keras di WebGL akan menyederhanakan proses implementasi.
• Teknik Denoising Canggih: Algoritma denoising yang lebih canggih akan memungkinkan gambar berkualitas lebih tinggi dengan lebih sedikit sampel.
• Integrasi dengan WebAssembly (Wasm): Menggunakan WebAssembly untuk mengimplementasikan bagian-bagian ray tracer yang intensif secara komputasi dapat meningkatkan performa.

Kesimpulan

Ray tracing real-time di WebGL menggunakan compute shader adalah bidang yang berkembang pesat dengan potensi untuk merevolusi grafis web. Dengan memahami dasar-dasar ray tracing, memanfaatkan kekuatan compute shader, dan menggunakan teknik optimisasi, para developer dapat menciptakan pengalaman visual yang menakjubkan yang pernah dianggap mustahil di browser web. Seiring dengan terus membaiknya perangkat keras dan lunak, kita dapat berharap untuk melihat aplikasi ray tracing yang lebih mengesankan di web di tahun-tahun mendatang, dapat diakses oleh audiens global dari perangkat apa pun dengan browser modern.

Panduan ini telah memberikan gambaran komprehensif tentang konsep dan teknik yang terlibat dalam mengimplementasikan ray tracing real-time di WebGL. Kami mendorong para developer di seluruh dunia untuk bereksperimen dengan teknik-teknik ini dan berkontribusi pada kemajuan grafis web.