WebGL 레이트레이싱 가속화 구조: 글로벌 3D 애플리케이션을 위한 공간 데이터 구성

레이트레이싱은 빛이 실제 세계에서 행동하는 방식을 시뮬레이션하는 강력한 렌더링 기술입니다. 장면을 통과하는 광선의 경로를 추적하여 사실적인 이미지를 생성합니다. 레이트레이싱은 뛰어난 시각적 품질을 제공하지만 계산 집약적입니다. 특히 브라우저 기반 WebGL 애플리케이션에서 실시간 또는 대화형 프레임 속도를 달성하려면 가속화 구조가 필수적입니다. 이 기사에서는 WebGL 레이트레이싱에 사용되는 가속화 구조의 기본 개념을 살펴보고 공간 데이터 구성과 성능에 미치는 영향에 중점을 둡니다.

가속화 구조의 필요성

가속화 구조가 없으면 레이트레이싱은 각 광선을 장면의 모든 객체와 교차시켜야 합니다. 이 무차별 대입 방식은 각 광선에 대해 O(n) 복잡도를 초래합니다. 여기서 'n'은 장면의 기본 요소(삼각형, 구 등)의 수입니다. 수백만 개의 기본 요소가 있는 복잡한 장면의 경우 이는 엄청나게 비용이 많이 듭니다.

가속화 구조는 주어진 광선과 교차할 가능성이 없는 장면의 큰 부분을 신속하게 삭제할 수 있는 방식으로 장면의 지오메트리를 구성하여 이 문제를 완화합니다. 광선-기본 요소 교차 테스트 수를 줄여 렌더링 성능을 크게 향상시킵니다. 도서관에서 특정 책을 찾는다고 상상해 보세요. 색인(가속화 구조)이 없으면 모든 선반의 모든 책을 확인해야 합니다. 색인을 사용하면 관련 섹션을 빠르게 찾아 책을 효율적으로 찾을 수 있습니다. 가속화 구조는 레이트레이싱에서 유사한 목적을 수행합니다.

일반적인 가속화 구조

레이트레이싱에는 여러 유형의 가속화 구조가 일반적으로 사용됩니다. 가장 널리 사용되는 것은 바운딩 볼륨 계층(BVH)이지만 k-d 트리 및 균일 그리드와 같은 다른 트리도 사용됩니다. 이 기사에서는 다양한 장면을 처리하는 데 있어 유연성과 효율성으로 인해 BVH에 중점을 둡니다.

바운딩 볼륨 계층(BVH)

BVH는 각 노드가 일련의 기본 요소를 둘러싸는 바운딩 볼륨을 나타내는 트리와 같은 데이터 구조입니다. 루트 노드는 전체 장면을 둘러싸고 각 내부 노드는 장면 지오메트리의 하위 집합을 둘러쌉니다. 리프 노드에는 실제 기본 요소(예: 삼각형)에 대한 참조가 포함되어 있습니다.

BVH의 기본 원리는 노드의 바운딩 볼륨에 대해 광선을 테스트하는 것입니다. 광선이 바운딩 볼륨과 교차하지 않으면 해당 노드 내에 포함된 기본 요소와 교차할 수 없으므로 하위 트리의 순회를 건너뛸 수 있습니다. 광선이 바운딩 볼륨과 교차하면 리프 노드에 도달할 때까지 하위 노드를 재귀적으로 순회합니다. 여기서 광선-기본 요소 교차 테스트를 수행합니다.

BVH 구성:

BVH 구성은 성능에 큰 영향을 미치는 중요한 단계입니다. 잘 구성된 BVH는 광선-바운딩 볼륨 교차 테스트 수를 최소화합니다. BVH 구성에는 하향식과 상향식이라는 두 가지 주요 접근 방식이 있습니다.

• 하향식 구성: 이 접근 방식은 루트 노드에서 시작하여 특정 종료 기준이 충족될 때까지 재귀적으로 세분화합니다. 세분화 프로세스는 일반적으로 기본 요소를 두 그룹으로 나누는 분할 평면을 선택하는 것을 포함합니다. 분할 평면의 선택은 매우 중요합니다. 일반적인 전략은 다음과 같습니다.
• 공간 중앙값 분할: 축(예: X, Y 또는 Z)을 따라 공간 위치를 기준으로 기본 요소를 나눕니다. 이것은 간단하고 빠른 방법이지만 항상 균형 잡힌 트리를 생성하지는 않을 수 있습니다.
• 객체 중앙값 분할: 중심점의 중앙값을 기준으로 기본 요소를 나눕니다. 이는 공간 중앙값 분할보다 더 균형 잡힌 트리를 생성하는 경우가 많습니다.
• 표면적 휴리스틱(SAH): 이는 바운딩 볼륨의 표면적을 기준으로 트리를 순회하는 데 드는 비용을 추정하는 보다 정교한 접근 방식입니다. SAH는 가장 낮은 전체 비용을 초래하는 분할 평면을 선택하여 예상되는 순회 비용을 최소화하는 것을 목표로 합니다. SAH는 일반적으로 가장 효율적인 BVH를 생성하지만 구축하는 데 가장 계산 비용이 많이 듭니다.
• 상향식 구성: 이 접근 방식은 개별 기본 요소를 리프 노드로 시작하여 단일 루트 노드가 형성될 때까지 반복적으로 더 큰 바운딩 볼륨으로 병합합니다. 이는 레이트레이싱 BVH에는 덜 일반적이지만 지오메트리가 자주 변경되는 동적 장면에서 유용할 수 있습니다.

종료 기준:

세분화 프로세스는 종료 기준이 충족될 때까지 계속됩니다. 일반적인 종료 기준은 다음과 같습니다.

• 최대 트리 깊이: 과도한 메모리 사용량 또는 순회 오버헤드를 방지하기 위해 트리의 깊이를 제한합니다.
• 노드당 최소 기본 요소 수: 노드에 적은 수의 기본 요소가 포함되어 있으면 세분화를 중지합니다. 일반적인 값은 1-4개의 기본 요소입니다.
• 비용 임계값: 추가 세분화의 예상 비용이 특정 임계값을 초과하면 노드 세분화를 중지합니다.

BVH 순회:

BVH 순회 알고리즘은 장면에서 주어진 광선과 교차하는 기본 요소를 효율적으로 결정하는 재귀적 프로세스입니다. 알고리즘은 루트 노드에서 시작하여 다음과 같이 진행됩니다.

1. 현재 노드의 바운딩 볼륨에 대해 광선을 테스트합니다.
2. 광선이 바운딩 볼륨과 교차하지 않으면 해당 노드와 해당 하위 트리에 대한 순회가 중지됩니다.
3. 광선이 바운딩 볼륨과 교차하면 알고리즘은 하위 노드를 재귀적으로 순회합니다.
4. 리프 노드에 도달하면 알고리즘은 리프 노드에 포함된 각 기본 요소에 대해 광선-기본 요소 교차 테스트를 수행합니다.

공간 데이터 구성 기술

데이터가 가속화 구조 내에서 구성되는 방식은 성능에 큰 영향을 미칩니다. 공간 데이터 구성을 최적화하기 위해 여러 기술이 사용됩니다.

바운딩 볼륨 밀도

더 조밀한 바운딩 볼륨은 광선-바운딩 볼륨 교차 테스트 중 가양성 확률을 줄입니다. 조밀한 바운딩 볼륨은 둘러싸인 지오메트리에 밀접하게 맞고 주변의 빈 공간을 최소화합니다. 일반적인 바운딩 볼륨 유형은 다음과 같습니다.

• 축 정렬 바운딩 상자(AABB): AABB는 단순성과 효율성으로 인해 가장 일반적인 유형의 바운딩 볼륨입니다. 각 축을 따라 최소 및 최대 좌표로 정의됩니다. AABB는 구성 및 광선과의 교차가 쉽습니다.
• 방향 바운딩 상자(OBB): OBB는 특히 좌표축과 정렬되지 않은 객체의 경우 AABB보다 더 조밀하게 맞습니다. 그러나 OBB는 구성 및 광선과의 교차에 더 많은 비용이 듭니다.
• 구: 구는 구성 및 광선과의 교차가 간단하지만 모든 유형의 지오메트리에 적합하지 않을 수 있습니다.

적절한 바운딩 볼륨 유형을 선택하는 것은 특정 애플리케이션과 밀도와 성능 간의 절충점에 따라 달라집니다.

노드 순서 및 메모리 레이아웃

노드가 메모리에 저장되는 순서는 캐시 일관성 및 순회 성능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 함께 액세스할 가능성이 높은 노드를 연속적인 메모리 위치에 저장하면 캐시 활용률을 높이고 메모리 액세스 대기 시간을 줄일 수 있습니다.

일반적인 노드 순서 지정 기술은 다음과 같습니다.

• 깊이 우선 순서 지정: 노드는 트리의 깊이 우선 순회 중에 방문하는 순서대로 저장됩니다. 이 접근 방식은 트리를 통해 긴 경로를 순회하는 광선에 대한 캐시 일관성을 향상시킬 수 있습니다.
• 너비 우선 순서 지정: 노드는 트리의 너비 우선 순회 중에 방문하는 순서대로 저장됩니다. 이 접근 방식은 트리의 동일한 수준에서 많은 수의 노드와 교차하는 광선에 대한 캐시 일관성을 향상시킬 수 있습니다.
• 선형화: BVH는 종종 Morton 코드 또는 유사한 공간 채우기 곡선을 사용하여 평면 배열로 선형화됩니다. 이는 캐시 일관성을 향상시키고 GPU에서 효율적인 순회를 가능하게 할 수 있습니다.

최적의 노드 순서 지정 기술은 특정 하드웨어 아키텍처와 장면의 특성에 따라 달라집니다.

기본 요소 순서 지정

기본 요소가 리프 노드 내에 저장되는 순서도 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 공간적으로 일관된 기본 요소를 그룹화하면 캐시 일관성을 향상시키고 광선-기본 요소 교차 테스트 중 캐시 미스 수를 줄일 수 있습니다. 공간 채우기 곡선(예: Morton 순서)과 같은 기술을 사용하여 공간적 위치에 따라 기본 요소의 순서를 지정할 수 있습니다.

WebGL 고려 사항

WebGL에서 레이트레이싱 및 가속화 구조를 구현하는 것은 고유한 과제와 고려 사항을 제시합니다.

데이터 전송 및 메모리 관리

JavaScript에서 GPU로 많은 양의 데이터(예: 정점 데이터, BVH 노드)를 전송하는 것은 병목 현상이 될 수 있습니다. 좋은 성능을 달성하려면 효율적인 데이터 전송 기술이 중요합니다. 형식화된 배열(예: Float32Array, Uint32Array)을 사용하고 데이터 전송 횟수를 최소화하면 오버헤드를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

메모리 관리도 특히 대규모 장면의 경우 중요합니다. WebGL은 메모리 리소스가 제한되어 있으므로 메모리 부족 오류를 방지하기 위해 메모리를 효율적으로 할당하고 해제하는 것이 필수적입니다.

셰이더 성능

레이트레이싱 및 BVH 순회 논리는 일반적으로 셰이더(예: GLSL)로 구현됩니다. 좋은 성능을 달성하려면 셰이더 코드를 최적화하는 것이 중요합니다. 여기에는 명령어 수를 최소화하고, 효율적인 데이터 유형을 사용하고, 분기를 피하는 것이 포함됩니다.

예: 광선-AABB 교차를 확인하기 위해 일반적인 `if` 문을 사용하는 대신 더 나은 성능을 위해 최적화된 슬래브 교차 알고리즘을 사용하십시오. 슬래브 교차 알고리즘은 AABB용으로 특별히 설계되었으며 더 적은 명령어로 구현할 수 있습니다.

비동기 작업

가속화 구조를 구축하는 것은 특히 대규모 장면의 경우 시간이 오래 걸리는 프로세스일 수 있습니다. 이 작업을 비동기적으로 수행하면(예: Web Workers 사용) 브라우저가 응답하지 않게 되는 것을 방지할 수 있습니다. 주 스레드는 가속화 구조가 백그라운드에서 구축되는 동안 장면을 계속 렌더링할 수 있습니다.

WebGPU

WebGPU의 출현은 GPU에 대한 보다 직접적인 제어를 제공하여 보다 정교한 레이트레이싱 구현의 가능성을 열어줍니다. 컴퓨트 셰이더와 같은 기능을 통해 개발자는 메모리를 보다 효율적으로 관리하고 사용자 정의 가속화 구조를 구현할 수 있습니다. 결과적으로 기존 WebGL에 비해 성능이 향상됩니다.

글로벌 애플리케이션 예제

효율적인 공간 데이터 구성으로 가속화된 WebGL의 레이트레이싱은 다양한 글로벌 애플리케이션에 대한 새로운 가능성을 열어줍니다.

• 대화형 제품 구성 도구: 전 세계 고객이 사실적인 렌더링으로 제품(예: 가구, 자동차)을 실시간으로 사용자 정의할 수 있도록 합니다. 유럽 가구 회사가 아시아 사용자가 웹 브라우저 내에서 다양한 직물과 조명 조건으로 소파가 거실에서 어떻게 보일지 시각화할 수 있다고 상상해 보십시오.
• 건축 시각화: 전 세계 건축가와 디자이너가 브라우저에서 건물과 인테리어의 사실적인 렌더링을 만들고 탐색할 수 있도록 합니다. 호주에 있는 디자인 회사는 WebGL 레이트레이싱을 사용하여 설계 변경 사항을 실시간으로 시각화하여 북미 고객과 건물 프로젝트에 대해 협력할 수 있습니다.
• 과학 시각화: 복잡한 과학 데이터 세트(예: 의료 스캔, 기후 모델)를 높은 시각적 충실도로 3D로 시각화합니다. 전 세계 연구원은 자세한 레이트레이싱 시각화를 통해 데이터를 공동으로 분석할 수 있습니다.
• 게임 및 엔터테인먼트: 웹 브라우저를 통해 전 세계 플레이어가 액세스할 수 있는 사실적인 조명과 그림자가 있는 몰입형 게임 경험을 만듭니다.
• 전자 상거래: 사실적인 제품 시각화를 제공하여 온라인 쇼핑 경험을 향상시킵니다. 예를 들어 홍콩의 보석 소매업체는 레이트레이싱 렌더링으로 다이아몬드의 광채와 반사를 보여주어 잠재적 구매자가 전 세계에서 보석의 품질을 감상할 수 있도록 합니다.

실행 가능한 통찰력 및 모범 사례

• 적절한 가속화 구조 선택: 가속화 구조를 선택할 때 장면의 특성(예: 정적 대 동적, 기본 요소 수)을 고려하십시오. BVH는 일반적으로 대부분의 장면에 적합하지만 k-d 트리 또는 균일 그리드와 같은 다른 구조가 특정 사용 사례에 더 적합할 수 있습니다.
• BVH 구성 최적화: 고품질 BVH에는 SAH를 사용하되 특히 동적 장면에서는 더 빠른 빌드 시간을 위해 공간 중앙값 또는 객체 중앙값과 같은 더 간단한 분할 전략을 고려하십시오.
• 조밀한 바운딩 볼륨 사용: 지오메트리에 밀접하게 맞는 바운딩 볼륨 유형을 선택하여 광선-바운딩 볼륨 교차 테스트 중 가양성 수를 줄입니다.
• 노드 순서 최적화: 다양한 노드 순서 지정 기술(예: 깊이 우선, 너비 우선, 선형화)을 실험하여 캐시 일관성 및 순회 성능을 향상시킵니다.
• 데이터 전송 최소화: 형식화된 배열을 사용하고 JavaScript와 GPU 간의 데이터 전송 횟수를 최소화합니다.
• 셰이더 코드 최적화: 명령어 수를 최소화하고, 효율적인 데이터 유형을 사용하고, 셰이더에서 분기를 피하십시오.
• 비동기 작업 사용: BVH 구성 및 기타 시간이 오래 걸리는 작업을 비동기적으로 수행하여 브라우저가 응답하지 않게 되는 것을 방지합니다.
• WebGPU 활용: 보다 효율적인 메모리 관리 및 사용자 정의 가속화 구조 구현을 위해 WebGPU의 기능을 살펴보십시오.
• 프로파일링 및 벤치마킹: 코드에서 정기적으로 프로파일링하고 벤치마킹하여 성능 병목 현상을 식별하고 그에 따라 최적화하십시오. 브라우저 개발자 도구를 사용하여 프레임 속도, 메모리 사용량 및 셰이더 성능을 분석하십시오.

결론

가속화 구조는 WebGL에서 실시간 레이트레이싱 성능을 달성하는 데 필수적입니다. 공간 데이터를 효율적으로 구성함으로써 이러한 구조는 광선-기본 요소 교차 테스트 수를 줄이고 복잡한 3D 장면의 렌더링을 가능하게 합니다. 다양한 유형의 가속화 구조, 공간 데이터 구성 기술 및 WebGL 관련 고려 사항을 이해하는 것은 고성능의 전 세계적으로 액세스 가능한 레이트레이싱 애플리케이션을 개발하는 데 중요합니다. WebGPU가 계속 발전함에 따라 브라우저에서 레이트레이싱의 가능성은 더욱 확장되어 다양한 산업 분야에서 새롭고 흥미로운 애플리케이션을 가능하게 할 것입니다.