Ray Tracing in WebGL: Ray Tracing in Tempo Reale con i Compute Shader di WebGL

Il ray tracing, una tecnica di rendering rinomata per le sue immagini fotorealistiche, è tradizionalmente stato computazionalmente intensivo e riservato a processi di rendering offline. Tuttavia, i progressi nella tecnologia delle GPU e l'introduzione dei compute shader hanno aperto le porte al ray tracing in tempo reale all'interno di WebGL, portando una grafica ad alta fedeltà nelle applicazioni basate sul web. Questo articolo fornisce una guida completa all'implementazione del ray tracing in tempo reale utilizzando i compute shader in WebGL, rivolgendosi a un pubblico globale di sviluppatori interessati a spingere i confini della grafica web.

Cos'è il Ray Tracing?

Il ray tracing simula il modo in cui la luce viaggia nel mondo reale. Invece di rasterizzare poligoni, il ray tracing lancia raggi dalla telecamera (o occhio) attraverso ogni pixel dello schermo e nella scena. Questi raggi intersecano gli oggetti e, in base alle proprietà del materiale di tali oggetti, il colore del pixel viene determinato calcolando come la luce rimbalza e interagisce con la superficie. Questo processo può includere riflessioni, rifrazioni e ombre, risultando in immagini altamente realistiche.

Concetti Chiave nel Ray Tracing:

• Ray Casting: Il processo di lanciare raggi dalla telecamera nella scena.
• Test di Intersezione: Determinare dove un raggio interseca gli oggetti nella scena.
• Normali di Superficie: Vettori perpendicolari alla superficie nel punto di intersezione, usati per calcolare la riflessione e la rifrazione.
• Proprietà del Materiale: Definiscono come una superficie interagisce con la luce (es. colore, riflettività, rugosità).
• Raggi d'Ombra: Raggi lanciati dal punto di intersezione verso le fonti di luce per determinare se il punto è in ombra.
• Raggi di Riflessione e Rifrazione: Raggi lanciati dal punto di intersezione per simulare riflessioni e rifrazioni.

Perché WebGL e i Compute Shader?

WebGL fornisce un'API multipiattaforma per il rendering di grafica 2D e 3D in un browser web senza l'uso di plug-in. I compute shader, introdotti con WebGL 2.0, abilitano il calcolo per scopi generici sulla GPU. Ciò ci consente di sfruttare la potenza di elaborazione parallela della GPU per eseguire i calcoli di ray tracing in modo efficiente.

Vantaggi dell'Uso di WebGL per il Ray Tracing:

• Compatibilità Multipiattaforma: WebGL funziona in qualsiasi browser web moderno, indipendentemente dal sistema operativo.
• Accelerazione Hardware: Sfrutta la GPU per un rendering veloce.
• Nessun Plugin Richiesto: Elimina la necessità per gli utenti di installare software aggiuntivo.
• Accessibilità: Rende il ray tracing accessibile a un pubblico più ampio attraverso il web.

Vantaggi dell'Uso dei Compute Shader:

• Elaborazione Parallela: Sfrutta l'architettura massicciamente parallela delle GPU per calcoli di ray tracing efficienti.
• Flessibilità: Consente algoritmi personalizzati e ottimizzazioni su misura per il ray tracing.
• Accesso Diretto alla GPU: Bypassa la pipeline di rendering tradizionale per un maggiore controllo.

Panoramica dell'Implementazione

L'implementazione del ray tracing in WebGL utilizzando i compute shader comporta diversi passaggi chiave:

1. Impostazione del Contesto WebGL: Creazione di un contesto WebGL e abilitazione delle estensioni necessarie (è richiesto WebGL 2.0).
2. Creazione dei Compute Shader: Scrittura del codice GLSL per il compute shader che esegue i calcoli di ray tracing.
3. Creazione degli Shader Storage Buffer Objects (SSBO): Allocazione di memoria sulla GPU per memorizzare i dati della scena, i dati dei raggi e l'immagine finale.
4. Invio del Compute Shader: Avvio del compute shader per elaborare i dati.
5. Lettura dei Risultati: Recupero dell'immagine renderizzata dall'SSBO e visualizzazione sullo schermo.

Passaggi Dettagliati dell'Implementazione

1. Impostazione del Contesto WebGL

Il primo passo è creare un contesto WebGL 2.0. Ciò comporta l'ottenimento di un elemento canvas dall'HTML e la successiva richiesta di un WebGL2RenderingContext. La gestione degli errori è cruciale per garantire che il contesto venga creato con successo.

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

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

              
                Copy
              
            
          

2. Creazione dei Compute Shader

Il cuore del ray tracer è il compute shader, scritto in GLSL. Questo shader sarà responsabile del lancio dei raggi, dell'esecuzione dei test di intersezione e del calcolo del colore di ciascun pixel. Il compute shader opererà su una griglia di workgroup, ognuno dei quali elaborerà una piccola regione dell'immagine.

Ecco un esempio semplificato di un compute shader che calcola un colore di base in base alle coordinate dei pixel:

            #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
              
            
          

Questo shader definisce una dimensione del workgroup di 8x8, un buffer di output chiamato `pixels` e una variabile uniforme per la risoluzione dello schermo. Ogni work item (pixel) calcola il proprio colore in base alla sua posizione e lo scrive nel buffer di output.

3. Creazione degli Shader Storage Buffer Objects (SSBO)

Gli SSBO sono utilizzati per memorizzare dati condivisi tra la CPU e la GPU. In questo caso, useremo gli SSBO per memorizzare i dati della scena (es. vertici dei triangoli, proprietà dei materiali), i dati dei raggi e l'immagine renderizzata finale. Crea l'SSBO, collegalo a un punto di binding e riempilo con i dati iniziali.

            // 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. Invio del Compute Shader

Per eseguire il compute shader, dobbiamo inviarlo. Ciò comporta la specifica del numero di workgroup da lanciare in ciascuna dimensione. Il numero di workgroup è determinato dividendo il numero totale di pixel per la dimensione del workgroup definita nello 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` lancia il compute shader. `gl.memoryBarrier` assicura che la GPU abbia terminato di scrivere nell'SSBO prima che la CPU tenti di leggerlo.

5. Lettura dei Risultati

Dopo che il compute shader ha terminato l'esecuzione, dobbiamo leggere l'immagine renderizzata dall'SSBO e riportarla sulla CPU. Ciò comporta la creazione di un buffer sulla CPU e l'utilizzo di `gl.getBufferSubData` per copiare i dati dall'SSBO al buffer della CPU. Infine, crea un elemento immagine utilizzando i dati.

            // 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
              
            
          

Rappresentazione della Scena e Strutture di Accelerazione

Un aspetto cruciale del ray tracing è trovare in modo efficiente i punti di intersezione tra i raggi e gli oggetti nella scena. I test di intersezione a forza bruta, in cui ogni raggio viene testato contro ogni oggetto, sono computazionalmente costosi. Per migliorare le prestazioni, si utilizzano strutture di accelerazione per organizzare i dati della scena e scartare rapidamente gli oggetti che difficilmente intersecano un dato raggio.

Strutture di Accelerazione Comuni:

• Bounding Volume Hierarchy (BVH): Una struttura ad albero gerarchica in cui ogni nodo rappresenta un volume di contenimento che racchiude un insieme di oggetti. Ciò consente di scartare rapidamente ampie porzioni della scena.
• Kd-Tree: Una struttura di dati di partizionamento spaziale che divide ricorsivamente la scena in regioni più piccole.
• Spatial Hashing: Divide la scena in una griglia di celle e memorizza gli oggetti nelle celle che intersecano.

Per il ray tracing in WebGL, i BVH sono spesso la scelta preferita per la loro relativa facilità di implementazione e buone prestazioni. L'implementazione di un BVH comporta i seguenti passaggi:

1. Calcolo del Bounding Box: Calcola il bounding box per ogni oggetto nella scena (es. triangoli).
2. Costruzione dell'Albero: Dividi ricorsivamente la scena in bounding box più piccoli finché ogni nodo foglia non contiene un piccolo numero di oggetti. I criteri di suddivisione comuni includono il punto medio dell'asse più lungo o l'euristica della superficie (SAH).
3. Attraversamento: Attraversa il BVH durante il ray tracing, partendo dal nodo radice. Se il raggio interseca il bounding box di un nodo, attraversa ricorsivamente i suoi figli. Se il raggio interseca un nodo foglia, esegui i test di intersezione sugli oggetti contenuti in quel nodo.

Esempio di struttura BVH in GLSL (semplificata):

            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
              
            
          

Intersezione Raggio-Triangolo

Il test di intersezione più fondamentale nel ray tracing è l'intersezione raggio-triangolo. Esistono numerosi algoritmi per eseguire questo test, incluso l'algoritmo di Möller–Trumbore, ampiamente utilizzato per la sua efficienza e semplicità.

Algoritmo di Möller–Trumbore:

L'algoritmo di Möller–Trumbore calcola il punto di intersezione di un raggio con un triangolo risolvendo un sistema di equazioni lineari. Implica il calcolo delle coordinate baricentriche, che determinano la posizione del punto di intersezione all'interno del triangolo. Se le coordinate baricentriche sono comprese nell'intervallo [0, 1] e la loro somma è inferiore o uguale a 1, il raggio interseca il triangolo.

Esempio di codice 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 e Illuminazione

Una volta trovato il punto di intersezione, il passo successivo è calcolare il colore del pixel. Ciò comporta la determinazione di come la luce interagisce con la superficie nel punto di intersezione. I modelli di shading comuni includono:

• Shading di Phong: Un modello di shading semplice che calcola le componenti diffusa e speculare della luce.
• Shading di Blinn-Phong: Un miglioramento dello shading di Phong che utilizza un vettore a metà strada per calcolare la componente speculare.
• Rendering Fisicamente Basato (PBR): Un modello di shading più realistico che tiene conto delle proprietà fisiche dei materiali.

Il ray tracing consente effetti di illuminazione più avanzati rispetto alla rasterizzazione, come l'illuminazione globale, le riflessioni e le rifrazioni. Questi effetti possono essere implementati lanciando raggi aggiuntivi dal punto di intersezione.

Esempio: Calcolo dell'Illuminazione Diffusa

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

            

              
                Copy
              
            
          

Considerazioni sulle Prestazioni e Ottimizzazioni

Il ray tracing è computazionalmente intensivo e raggiungere prestazioni in tempo reale in WebGL richiede un'attenta ottimizzazione. Ecco alcune tecniche chiave:

• Strutture di Accelerazione: Come menzionato in precedenza, l'uso di strutture di accelerazione come i BVH è cruciale per ridurre il numero di test di intersezione.
• Terminazione Anticipata dei Raggi: Termina i raggi in anticipo se non contribuiscono in modo significativo all'immagine finale. Ad esempio, i raggi d'ombra possono essere terminati non appena colpiscono un oggetto.
• Campionamento Adattivo: Usa un numero variabile di campioni per pixel, a seconda della complessità della scena. Le regioni con molti dettagli o illuminazione complessa possono essere renderizzate con più campioni.
• Denoising: Utilizza algoritmi di denoising per ridurre il rumore nell'immagine renderizzata, consentendo un numero inferiore di campioni per pixel.
• Ottimizzazioni del Compute Shader: Ottimizza il codice del compute shader minimizzando gli accessi alla memoria, utilizzando operazioni vettoriali ed evitando le diramazioni.
• Regolazione della Dimensione del Workgroup: Sperimenta con diverse dimensioni di workgroup per trovare la configurazione ottimale per la GPU di destinazione.
• Uso del Ray Tracing Hardware (se disponibile): Alcune GPU offrono ora hardware dedicato per il ray tracing. Verifica e utilizza le estensioni che espongono questa funzionalità in WebGL.

Esempi Globali e Applicazioni

Il ray tracing in WebGL ha numerose potenziali applicazioni in vari settori a livello globale:

• Giochi: Migliora la fedeltà visiva dei giochi basati sul web con illuminazione, riflessioni e ombre realistiche.
• Visualizzazione di Prodotti: Crea modelli 3D interattivi di prodotti con rendering fotorealistico per l'e-commerce e il marketing. Ad esempio, un'azienda di mobili in Svezia potrebbe consentire ai clienti di visualizzare i mobili nelle loro case con illuminazione e riflessi accurati.
• Visualizzazione Architettonica: Visualizza progetti architettonici con illuminazione e materiali realistici. Uno studio di architettura a Dubai potrebbe utilizzare il ray tracing per mostrare i progetti degli edifici con simulazioni accurate della luce solare e delle ombre.
• Realtà Virtuale (VR) e Realtà Aumentata (AR): Migliora il realismo delle esperienze VR e AR incorporando effetti di ray tracing. Ad esempio, un museo a Londra potrebbe offrire un tour VR con dettagli visivi migliorati attraverso il ray tracing.
• Visualizzazione Scientifica: Visualizza dati scientifici complessi con tecniche di rendering realistiche. Un laboratorio di ricerca in Giappone potrebbe utilizzare il ray tracing per visualizzare strutture molecolari con illuminazione e ombre accurate.
• Istruzione: Sviluppa strumenti educativi interattivi che dimostrano i principi dell'ottica e del trasporto della luce.

Sfide e Direzioni Future

Sebbene il ray tracing in tempo reale in WebGL stia diventando sempre più fattibile, rimangono diverse sfide:

• Prestazioni: Raggiungere frame rate elevati con scene complesse è ancora una sfida.
• Complessità: L'implementazione di un ray tracer completo richiede un notevole sforzo di programmazione.
• Supporto Hardware: Non tutte le GPU supportano le estensioni necessarie per i compute shader o il ray tracing hardware.

Le direzioni future per il ray tracing in WebGL includono:

• Miglioramento del Supporto Hardware: Man mano che più GPU incorporeranno hardware dedicato al ray tracing, le prestazioni miglioreranno significativamente.
• API Standardizzate: Lo sviluppo di API standardizzate per il ray tracing hardware in WebGL semplificherà il processo di implementazione.
• Tecniche di Denoising Avanzate: Algoritmi di denoising più sofisticati consentiranno immagini di qualità superiore con meno campioni.
• Integrazione con WebAssembly (Wasm): L'utilizzo di WebAssembly per implementare le parti computazionalmente intensive del ray tracer potrebbe migliorare le prestazioni.

Conclusione

Il ray tracing in tempo reale in WebGL utilizzando i compute shader è un campo in rapida evoluzione con il potenziale di rivoluzionare la grafica web. Comprendendo i fondamenti del ray tracing, sfruttando la potenza dei compute shader e impiegando tecniche di ottimizzazione, gli sviluppatori possono creare esperienze visive straordinarie che un tempo erano considerate impossibili in un browser web. Man mano che hardware e software continueranno a migliorare, possiamo aspettarci di vedere applicazioni ancora più impressionanti del ray tracing sul web negli anni a venire, accessibili a un pubblico globale da qualsiasi dispositivo con un browser moderno.

Questa guida ha fornito una panoramica completa dei concetti e delle tecniche coinvolte nell'implementazione del ray tracing in tempo reale in WebGL. Incoraggiamo gli sviluppatori di tutto il mondo a sperimentare queste tecniche e a contribuire al progresso della grafica web.