WebGLレイトレーシング高速化構造：グローバル3Dアプリケーションのための空間データ構成

レイトレーシングは、現実世界における光の振る舞いをシミュレートする強力なレンダリング技術です。シーン内を通過する光線の経路を追跡することで、写実的な画像を生成します。レイトレーシングは優れた視覚品質を提供する一方で、計算負荷が非常に高いです。特にブラウザベースのWebGLアプリケーションにおいて、リアルタイムまたはインタラクティブなフレームレートを達成するためには、高速化構造が不可欠です。この記事では、WebGLレイトレーシングで使用される高速化構造の基本概念を探り、空間データ構成とそれがパフォーマンスに与える影響に焦点を当てます。

高速化構造の必要性

高速化構造がなければ、レイトレーシングは各光線とシーン内のすべてのオブジェクトとの交差判定を伴います。このブルートフォース（総当たり）アプローチは、各光線に対してO(n)の計算量になります。ここで'n'はシーン内のプリミティブ（三角形、球など）の数です。数百万のプリミティブを持つ複雑なシーンでは、これは法外に高コストになります。

高速化構造は、シーンのジオメトリを特定の光線と交差する可能性が低いシーンの大部分を迅速に除外できるような方法で構成することにより、この問題を軽減します。これにより、光線とプリミティブの交差判定テストの数が減り、レンダリング性能が劇的に向上します。図書館で特定の書籍を探すことを想像してみてください。索引（高速化構造）がなければ、すべての棚のすべての本を確認しなければなりません。索引があれば、関連するセクションをすばやく見つけて効率的に本を見つけることができます。高速化構造は、レイトレーシングにおいて同様の目的を果たします。

一般的な高速化構造

レイトレーシングでは、いくつかの種類の高速化構造が一般的に使用されています。最も一般的なのはバウンディングボリューム階層（BVH）ですが、k-d木や一様グリッドなども利用されます。この記事では、多様なシーンを扱う上での柔軟性と効率性から、BVHに焦点を当てます。

バウンディングボリューム階層（BVH）

BVHは木構造のデータ構造で、各ノードはプリミティブの集合を囲むバウンディングボリュームを表します。ルートノードはシーン全体を囲み、各内部ノードはシーンのジオメトリのサブセットを囲みます。リーフノードには、実際のプリミティブ（例：三角形）への参照が含まれています。

BVHの基本原則は、光線とノードのバウンディングボリュームとの交差判定を行うことです。光線がバウンディングボリュームと交差しない場合、そのノード内に含まれるどのプリミティブとも交差しないため、そのサブツリーのトラバースをスキップできます。光線がバウンディングボリュームと交差する場合、リーフノードに到達するまで子ノードを再帰的にトラバースし、そこで光線とプリミティブの交差判定テストを実行します。

BVHの構築：

BVHの構築は、そのパフォーマンスに大きく影響する重要なステップです。適切に構築されたBVHは、光線とバウンディングボリュームの交差判定テストの数を最小限に抑えます。BVH構築には主にトップダウンとボトムアップの2つのアプローチがあります。

• トップダウン構築： このアプローチは、ルートノードから始まり、特定の終了条件が満たされるまで再帰的に分割を繰り返します。分割プロセスでは通常、プリミティブを2つのグループに分ける分割平面を選択します。分割平面の選択は非常に重要です。一般的な戦略には以下のようなものがあります。
• 空間中央値分割： 軸（例：X, Y, Z）に沿った空間的な位置に基づいてプリミティブを分割します。これはシンプルで高速な方法ですが、必ずしもバランスの取れた木になるとは限りません。
• オブジェクト中央値分割： プリミティブの重心の中央値に基づいて分割します。これは空間中央値分割よりもバランスの取れた木を生成することが多いです。
• 表面積ヒューリスティック（SAH）： これは、バウンディングボリュームの表面積に基づいてツリーのトラバースコストを推定する、より洗練されたアプローチです。SAHは、全体のコストが最も低くなる分割平面を選択することで、期待されるトラバースコストを最小化することを目指します。SAHは一般的に最も効率的なBVHを生成しますが、構築には計算コストが最もかかります。
• ボトムアップ構築： このアプローチは、個々のプリミティブをリーフノードとして開始し、単一のルートノードが形成されるまでそれらを反復的に大きなバウンディングボリュームにマージします。これはレイトレーシングのBVHではあまり一般的ではありませんが、ジオメトリが頻繁に変化する動的なシーンで役立つことがあります。

終了条件：

分割プロセスは、終了条件が満たされるまで続きます。一般的な終了条件には以下のようなものがあります。

• 最大木深度： 過剰なメモリ使用量やトラバーサルオーバーヘッドを防ぐために、木の深さを制限します。
• ノードあたりの最小プリミティブ数： ノードに含まれるプリミティブの数が少なくなった場合に分割を停止します。一般的な値は1〜4プリミティブです。
• コスト閾値： さらなる分割の推定コストが特定の閾値を超えた場合に分割を停止します。

BVHトラバーサル：

BVHトラバーサルアルゴリズムは、特定の光線がシーン内のどのプリミティブと交差するかを効率的に決定する再帰的なプロセスです。アルゴリズムはルートノードから始まり、次のように進行します。

1. 現在のノードのバウンディングボリュームに対して光線の交差判定を行います。
2. 光線がバウンディングボリュームと交差しない場合、そのノードとそのサブツリーのトラバーサルは停止します。
3. 光線がバウンディングボリュームと交差する場合、アルゴリズムは子ノードを再帰的にトラバースします。
4. リーフノードに到達すると、アルゴリズムはそのリーフノードに含まれる各プリミティブに対して光線とプリミティブの交差判定テストを実行します。

空間データ構成技術

高速化構造内でデータがどのように構成されるかは、そのパフォーマンスに大きく影響します。空間データ構成を最適化するために、いくつかの技術が採用されています。

バウンディングボリュームの密着度

より密着したバウンディングボリュームは、光線とバウンディングボリュームの交差判定テスト中の偽陽性（フォールスポジティブ）の確率を減少させます。密着したバウンディングボリュームは、囲まれたジオメトリにぴったりとフィットし、その周りの空きスペースを最小限に抑えます。一般的なバウンディングボリュームの種類には以下のようなものがあります。

• 軸並行境界ボックス（AABB）： AABBは、その単純さと効率性から、最も一般的なバウンディングボリュームの種類です。各軸に沿った最小座標と最大座標によって定義されます。AABBは構築が容易で、光線との交差判定も簡単です。
• 有向境界ボックス（OBB）： OBBは、特に座標軸に整列していないオブジェクトに対して、AABBよりも密着度が高いです。しかし、OBBは構築および光線との交差判定のコストが高くなります。
• 球体： 球体は構築が簡単で、光線との交差判定も容易ですが、すべての種類のジオメトリに適しているとは限りません。

適切なバウンディングボリュームの種類を選択するかは、特定のアプリケーションと、密着度とパフォーマンスのトレードオフに依存します。

ノードの順序とメモリレイアウト

ノードがメモリに格納される順序は、キャッシュコヒーレンシとトラバーサル性能に大きな影響を与える可能性があります。一緒にアクセスされる可能性が高いノードを連続したメモリ位置に格納することで、キャッシュの利用率が向上し、メモリアクセスのレイテンシが削減されます。

一般的なノード順序付け技術には以下のようなものがあります。

• 深さ優先順序： ノードは、木の深さ優先探索中に訪れた順に格納されます。このアプローチは、木を深く長くトラバースする光線のキャッシュコヒーレンシを向上させることができます。
• 幅優先順序： ノードは、木の幅優先探索中に訪れた順に格納されます。このアプローチは、木の同じレベルで多数のノードと交差する光線のキャッシュコヒーレンシを向上させることができます。
• 線形化： BVHは、多くの場合モートンコードや同様の空間充填曲線を使用して、フラットな配列に線形化されます。これによりキャッシュコヒーレンシが向上し、GPU上での効率的なトラバーサルが可能になります。

最適なノード順序付け技術は、特定のハードウェアアーキテクチャとシーンの特性に依存します。

プリミティブの順序

リーフノード内にプリミティブが格納される順序もパフォーマンスに影響を与える可能性があります。空間的にまとまりのあるプリミティブをグループ化することで、キャッシュコヒーレンシが向上し、光線とプリミティブの交差判定テスト中のキャッシュミスの数を減らすことができます。空間充填曲線（例：モートン順序）などの技術を使用して、プリミティブをその空間的な位置に基づいて順序付けることができます。

WebGLに関する考慮事項

WebGLでレイトレーシングと高速化構造を実装するには、特有の課題と考慮事項があります。

データ転送とメモリ管理

大量のデータ（例：頂点データ、BVHノード）をJavaScriptからGPUに転送することは、ボトルネックになる可能性があります。良好なパフォーマンスを達成するためには、効率的なデータ転送技術が不可欠です。型付き配列（例：Float32Array、Uint32Array）を使用し、データ転送の回数を最小限に抑えることが、オーバーヘッドの削減に役立ちます。

メモリ管理も重要で、特に大規模なシーンではそうです。WebGLのメモリリソースは限られており、メモリ不足エラーを避けるためには、効率的にメモリを割り当てて解放することが不可欠です。

シェーダーのパフォーマンス

レイトレーシングとBVHトラバーサルのロジックは、通常シェーダー（例：GLSL）で実装されます。良好なパフォーマンスを達成するためには、シェーダーコードの最適化が不可欠です。これには、命令数の最小化、効率的なデータ型の使用、分岐の回避などが含まれます。

例：光線とAABBの交差をチェックするために一般的な`if`文を使用する代わりに、より良いパフォーマンスのために最適化されたスラブ交差アルゴリズムを使用します。スラブ交差アルゴリズムはAABB専用に設計されており、より少ない命令で実装できます。

非同期操作

高速化構造の構築は、特に大規模なシーンでは時間がかかるプロセスになる可能性があります。この操作を非同期（例：Web Workersを使用）で実行することで、ブラウザが応答不能になるのを防ぐことができます。高速化構造がバックグラウンドで構築されている間、メインスレッドはシーンのレンダリングを続けることができます。

WebGPU

WebGPUの登場により、GPUをより直接的に制御できるようになり、より高度なレイトレーシング実装の可能性が広がります。コンピュートシェーダーなどの機能により、開発者はメモリをより効率的に管理し、カスタムの高速化構造を実装できます。これにより、従来のWebGLと比較してパフォーマンスが向上します。

グローバルアプリケーションの例

効率的な空間データ構成によって高速化されたWebGLでのレイトレーシングは、さまざまなグローバルアプリケーションに新たな可能性をもたらします。

• インタラクティブな製品コンフィギュレータ： 世界中のお客様が製品（例：家具、車）をリアルタイムで写実的なレンダリングでカスタマイズできるようにします。ヨーロッパの家具会社が、アジアのユーザーにWebブラウザ内でソファが異なる生地や照明条件でどのように見えるかを視覚化させることを想像してみてください。
• 建築ビジュアライゼーション： 世界中の建築家やデザイナーが、ブラウザ上で建物やインテリアのリアルなレンダリングを作成し、探索できるようにします。オーストラリアのデザイン事務所が、北米のクライアントとビルプロジェクトで協力し、WebGLレイトレーシングを使用してデザインの変更をリアルタイムで視覚化することができます。
• 科学的ビジュアライゼーション： 複雑な科学データセット（例：医療スキャン、気候モデル）を、高い視覚的忠実度で3Dで視覚化します。世界中の研究者が、詳細なレイトレースビジュアルを通じてデータを共同で分析できます。
• ゲームとエンターテイメント： リアルな照明と影を持つ没入型のゲーム体験を創造し、Webブラウザを通じて世界中のプレイヤーがアクセスできるようにします。
• Eコマース： リアルな製品の視覚化を提供することで、オンラインショッピング体験を向上させます。例えば、香港の宝石小売業者は、レイトレーシングレンダリングでダイヤモンドの輝きと反射を披露し、世界中の潜在的な購入者が宝石の品質を評価できるようにします。

実践的な洞察とベストプラクティス

• 適切な高速化構造を選択する：シーンの特性（例：静的か動的か、プリミティブの数）を考慮して高速化構造を選択します。BVHはほとんどのシーンで一般的に良い選択ですが、k-d木や一様グリッドなどの他の構造が特定のユースケースにより適している場合もあります。
• BVH構築を最適化する：高品質なBVHにはSAHを使用しますが、特に動的なシーンでは、より高速な構築時間のために空間中央値やオブジェクト中央値などのより単純な分割戦略を検討します。
• 密着したバウンディングボリュームを使用する：光線とバウンディングボリュームの交差判定テスト中の偽陽性の数を減らすために、ジオメトリに密着するバウンディングボリュームの種類を選択します。
• ノードの順序を最適化する：キャッシュコヒーレンシとトラバーサル性能を向上させるために、さまざまなノード順序付け技術（例：深さ優先、幅優先、線形化）を試します。
• データ転送を最小限に抑える：型付き配列を使用し、JavaScriptとGPU間のデータ転送の回数を最小限に抑えます。
• シェーダーコードを最適化する：シェーダー内の命令数を最小限に抑え、効率的なデータ型を使用し、分岐を避けます。
• 非同期操作を使用する：ブラウザが応答不能になるのを防ぐために、BVH構築やその他の時間のかかる操作を非同期で実行します。
• WebGPUを活用する：より効率的なメモリ管理とカスタムの高速化構造実装のために、WebGPUの機能を調査します。
• プロファイルとベンチマークを行う：定期的にコードをプロファイリングおよびベンチマークして、パフォーマンスのボトルネックを特定し、それに応じて最適化します。ブラウザの開発者ツールを使用して、フレームレート、メモリ使用量、シェーダーのパフォーマンスを分析します。

結論

高速化構造は、WebGLでリアルタイムのレイトレーシング性能を達成するために不可欠です。空間データを効率的に構成することにより、これらの構造は光線とプリミティブの交差判定テストの数を減らし、複雑な3Dシーンのレンダリングを可能にします。さまざまな種類の高速化構造、空間データ構成技術、およびWebGL特有の考慮事項を理解することは、高性能でグローバルにアクセス可能なレイトレーシングアプリケーションを開発するために重要です。WebGPUが進化し続けるにつれて、ブラウザでのレイトレーシングの可能性はさらに広がり、さまざまな業界で新しくエキサイティングなアプリケーションが生まれるでしょう。