WebGL 레이 트레이싱 전역 조명: 웹 애플리케이션에서 물리적으로 정확한 조명 구현하기

3D 그래픽스에서 사실적인 표현을 추구하는 것은 렌더링 기술의 끊임없는 혁신을 이끌어왔습니다. 한때 계산 요구 사항 때문에 오프라인 렌더링에 국한되었던 레이 트레이싱은 하드웨어 및 WebGL과 같은 API의 발전 덕분에 실시간 환경에서 점점 더 접근 가능해지고 있습니다. 이 글에서는 WebGL 레이 트레이싱 전역 조명의 매혹적인 세계를 탐구하며, 웹 애플리케이션 내에서 물리적으로 정확한 조명을 구현하는 방법을 알아봅니다.

전역 조명 이해하기

전역 조명(GI)은 빛이 장면 주위에서 반사되는 방식을 시뮬레이션하여 더욱 사실적이고 몰입감 있는 시각적 경험을 만드는 렌더링 기술의 집합을 말합니다. 표면을 직접 비추는 광원만 고려하는 직접 조명과 달리, GI는 간접 조명을 설명합니다. 즉, 환경 내 다른 표면에서 반사, 굴절 또는 산란되는 빛을 포함합니다. 여기에는 다음과 같은 효과가 포함됩니다.

• 확산 상호 반사: 확산 표면 사이에서 빛이 반사되어 색 번짐과 미묘한 주변 조명을 생성합니다. 붉은 벽이 근처 흰색 바닥에 희미한 붉은색을 드리우는 것을 상상해 보세요.
• 경면 반사: 광원과 주변 환경이 반짝이는 표면에 정확하게 반사됩니다. 광택 나는 금속 구체에 창문이 비치는 것을 생각해 보세요.
• 굴절: 빛이 투명한 물질을 통과하면서 굴절되어 사실적인 왜곡과 코스틱을 만듭니다. 물 한 잔이 빛을 구부려 아래 표면에 패턴을 만드는 방식을 생각해 보세요.
• 표면하 산란(SSS): 빛이 반투명 재료를 침투하여 내부에서 산란된 후 빠져나와 부드럽고 빛나는 모습을 만듭니다. 피부, 대리석, 우유 등이 그 예입니다.

사실적인 전역 조명을 구현하면 3D 장면의 시각적 품질이 크게 향상되어 더욱 사실적이고 매력적으로 만듭니다. 그러나 이러한 효과를 정확하게 시뮬레이션하는 것은 계산 집약적입니다.

레이 트레이싱: 사실적인 조명으로 가는 길

레이 트레이싱은 카메라(또는 눈)에서 이미지의 각 픽셀을 통해 장면으로 광선을 추적하여 빛의 동작을 시뮬레이션하는 렌더링 기술입니다. 광선이 표면과 교차하면 레이 트레이서는 해당 위치의 조명 효과를 고려하여 해당 지점의 색상과 밝기를 결정합니다. 이 과정은 반사, 굴절 및 기타 복잡한 빛 상호 작용을 시뮬레이션하기 위해 재귀적으로 반복될 수 있습니다.

수년 동안 실시간 그래픽스에서 지배적인 방법이었던 전통적인 래스터화 기반 렌더링은 주변 폐색, 화면 공간 반사, 라이트 프로브와 같은 기술을 통해 전역 조명을 근사합니다. 이러한 방법은 시각적으로 매력적인 결과를 생성할 수 있지만, 종종 레이 트레이싱의 정확성과 물리적 정확성이 부족합니다.

반면에 레이 트레이싱은 빛의 경로가 장면과 상호 작용하는 방식을 따라가면서 전역 조명 효과를 자연스럽게 처리합니다. 이를 통해 반사, 굴절 및 기타 복잡한 빛 전달 현상을 정확하게 시뮬레이션할 수 있습니다.

WebGL과 레이 트레이싱: 성장하는 환경

WebGL(Web Graphics Library)은 플러그인을 사용하지 않고도 호환되는 모든 웹 브라우저 내에서 대화형 2D 및 3D 그래픽을 렌더링하기 위한 JavaScript API입니다. 이는 기본 그래픽 처리 장치(GPU)를 활용하여 렌더링 성능을 가속화합니다. 전통적으로 WebGL은 래스터화 기반 렌더링과 관련이 있었습니다.

그러나 WebGL 2 및 확장 기능인 GL_EXT_ray_tracing 및 WEBGL_gpu_acceleration의 도입을 포함한 WebGL의 최근 발전은 웹 애플리케이션에 레이 트레이싱 기술을 통합할 수 있는 가능성을 열어주고 있습니다. 이러한 확장 기능은 GPU 가속 레이 트레이싱 기능에 대한 접근을 제공하여 개발자가 더욱 사실적이고 시각적으로 놀라운 웹 기반 경험을 만들 수 있도록 합니다.

WebGL에서 레이 트레이싱을 구현하기 위한 몇 가지 접근 방식은 다음과 같습니다.

• 컴퓨트 셰이더: 컴퓨트 셰이더는 GPU에서 범용 계산을 허용합니다. 레이 트레이싱 알고리즘은 컴퓨트 셰이더를 사용하여 구현될 수 있으며, 광선-장면 교차 테스트를 수행하고 조명 효과를 계산합니다. 이 접근 방식은 더 많은 수동 구현을 요구하지만 유연성과 제어 기능을 제공합니다.
• 하드웨어 가속 레이 트레이싱 확장: GL_EXT_ray_tracing과 같은 확장 기능은 사용자 장치에서 사용 가능한 경우 하드웨어 레이 트레이싱 기능에 직접 접근할 수 있도록 합니다. 이 접근 방식은 컴퓨트 셰이더 기반 구현에 비해 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 그러나 특정 하드웨어 및 드라이버 지원에 의존합니다.
• WebGPU: WebGPU는 WebGL의 후속작으로, GPU 기능에 접근하기 위한 보다 현대적이고 효율적인 API를 제공하도록 설계되었습니다. WebGPU는 레이 트레이싱에 대한 네이티브 지원을 제공하여 미래의 웹 기반 레이 트레이싱 애플리케이션을 위한 유망한 플랫폼이 됩니다.

WebGL 레이 트레이싱 전역 조명 구현하기

WebGL 레이 트레이싱 전역 조명을 구현하는 것은 컴퓨터 그래픽 원리, 레이 트레이싱 알고리즘 및 WebGL 프로그래밍에 대한 확실한 이해를 요구하는 복잡한 작업입니다.

다음은 관련된 일반적인 단계에 대한 간략한 개요입니다.

1. 장면 표현: 광선-장면 교차 테스트에 효율적인 데이터 구조를 사용하여 3D 장면을 표현합니다. 일반적인 데이터 구조에는 경계 볼륨 계층 구조(BVH) 및 k-d 트리가 포함됩니다. 이러한 구조는 주어진 광선에 의해 교차될 가능성이 낮은 장면의 큰 부분을 빠르게 폐기하여 레이 트레이싱 프로세스를 가속화하는 데 도움이 됩니다.
2. 광선 생성: 카메라에서 이미지의 각 픽셀을 통해 광선을 생성합니다. 각 광선의 방향은 카메라의 위치, 방향 및 시야에 의해 결정됩니다.
3. 광선-장면 교차: 각 광선에 대해 장면의 모든 객체에 대해 교차 테스트를 수행합니다. 여기에는 광선이 각 객체와 교차하는지 여부를 결정하고, 교차하는 경우 교차점을 계산하는 것이 포함됩니다.
4. 셰이딩: 교차점에서 조명 모델에 따라 표면의 색상과 밝기를 계산합니다. 여기에는 광원으로부터의 직접 조명과 전역 조명 효과로부터의 간접 조명을 고려하는 것이 포함됩니다.
5. 전역 조명 샘플링: 전역 조명을 위해 교차점에서 추가 광선을 투사하여 주변 환경을 샘플링합니다. 이 광선은 장면의 다른 표면에서 해당 지점으로 들어오는 빛의 양을 추정하는 데 사용됩니다. 패스 트레이싱, 몬테카를로 적분 및 중요도 샘플링과 같은 기술은 빛 전달을 효율적으로 샘플링하는 데 자주 사용됩니다.
6. 재귀적 레이 트레이싱: 반사 및 굴절 광선에 대해 3-5단계를 재귀적으로 반복하여 빛이 장면 주위에서 반사되는 경로를 추적합니다. 재귀 깊이는 일반적으로 과도한 계산을 피하기 위해 제한됩니다.
7. 출력: 각 픽셀의 최종 색상을 WebGL 캔버스에 출력합니다.

패스 트레이싱: 강력한 GI 기술

패스 트레이싱은 장면을 통해 무작위로 빛의 경로를 추적하여 전역 조명을 시뮬레이션하는 몬테카를로 레이 트레이싱 알고리즘입니다. 개념적으로 단순하지만 매우 사실적인 결과를 생성할 수 있는 강력한 기술입니다.

패스 트레이싱에서는 카메라에서만 광선을 추적하는 대신 광원에서도 광선을 추적합니다. 이 광선들은 장면 주위를 반사하며 표면과 상호 작용하다가 결국 카메라에 도달합니다. 각 픽셀의 색상은 해당 픽셀을 통해 카메라에 도달하는 모든 빛 경로의 기여도를 평균하여 결정됩니다.

패스 트레이싱은 본질적으로 몬테카를로 방법으로, 빛 전달을 추정하기 위해 무작위 샘플링에 의존합니다. 이는 특히 샘플 수가 적을 때 노이즈가 많은 이미지를 초래할 수 있습니다. 그러나 픽셀당 샘플 수를 늘리면 노이즈를 줄일 수 있습니다. 더 많은 샘플이 축적됨에 따라 시간이 지남에 따라 이미지가 점진적으로 개선되는 점진적 렌더링 기술은 사용자 경험을 개선하는 데 자주 사용됩니다.

예시: 패스 트레이싱을 이용한 확산 전역 조명 구현

WebGL에서 패스 트레이싱을 사용하여 확산 전역 조명을 구현하는 간단한 예를 살펴보겠습니다. 이 예는 간접 조명 정보를 수집하기 위해 광선을 추적하는 핵심 개념에 중점을 둡니다.

프래그먼트 셰이더 (간략화):

            #version 300 es
precision highp float;

in vec3 worldPosition;
in vec3 worldNormal;

uniform vec3 lightPosition;
uniform vec3 cameraPosition;

out vec4 fragColor;

// Random number generator (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);

    // Direct Lighting (Simplified)
    vec3 lightDir = normalize(lightPosition - worldPosition);
    float diffuse = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    vec3 directLighting = vec3(1.0, 1.0, 1.0) * diffuse;

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

        //  Simplified: Assume a constant color for simplicity (replace with actual scene sampling)
        indirectLighting += vec3(0.5, 0.5, 0.5); // Example indirect color
    }
    indirectLighting /= float(numSamples);

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

            

              
                Copy
              
            
          

설명:

• 월드 위치 및 노멀: 이는 버텍스 셰이더에서 전달되는 보간된 버텍스 속성입니다.
• 광원 위치 및 카메라 위치: 광원 및 카메라의 위치를 나타내는 유니폼 변수입니다.
• 난수 생성기: 방향 샘플링을 위한 의사 난수를 생성하기 위해 간단한 선형 합동 생성기(LCG)가 사용됩니다. 실제 구현에서는 더 나은 RNG가 사용되어야 합니다.
• 무작위 방향: 노멀 벡터 주위의 반구에서 무작위 방향을 생성합니다. 이는 다양한 방향에서 들어오는 빛을 샘플링하는 데 사용됩니다.
• 직접 조명: 노멀과 빛 방향의 내적을 사용하여 직접 조명의 확산 구성 요소를 계산합니다.
• 간접 조명 (패스 트레이싱):
  • 루프는 지정된 횟수(numSamples)만큼 반복됩니다.
  • 각 반복에서 randomDirection 함수를 사용하여 무작위 방향이 생성됩니다.
  • 간략화된 장면 샘플링: 이 간략화된 예에서는 간접 조명에 대해 일정한 색상을 가정합니다. 실제 구현에서는 randomDir 방향으로 광선을 추적하고 광선이 교차하는 객체의 색상을 샘플링합니다. 여기에는 이 간략화된 예에서는 보여지지 않는 재귀적 레이 트레이싱이 포함됩니다.
  • 간접 조명 기여도는 누적된 다음 샘플 수로 나누어 평균을 얻습니다.
• 최종 색상: 최종 색상은 직접 조명 및 간접 조명 구성 요소를 더하여 계산됩니다.

중요 사항:

• 이는 매우 간략화된 예시입니다. 완전한 패스 트레이서는 광선-장면 교차, 재료 평가 및 분산 감소를 위한 더 정교한 기술을 필요로 합니다.
• 장면 데이터: 이 예는 장면 기하학과 재료 속성이 이미 로드되어 셰이더에서 사용 가능하다고 가정합니다.
• 레이 트레이싱 구현: 레이 트레이싱 부분(광선 추적 및 교차점 찾기)은 이 예에서는 명시적으로 보여지지 않습니다. 컴퓨트 셰이더 또는 하드웨어 레이 트레이싱 확장과 같은 코드의 다른 부분에서 처리된다고 가정합니다. 이 예는 광선이 표면과 교차한 후의 셰이딩 측면에 중점을 둡니다.
• 노이즈: 패스 트레이싱은 특히 샘플 수가 적을 때 노이즈가 많은 이미지를 생성하는 경우가 많습니다. 중요도 샘플링 및 계층화 샘플링과 같은 분산 감소 기술을 사용하여 노이즈를 줄일 수 있습니다.

물리 기반 렌더링 (PBR)

물리 기반 렌더링(PBR)은 빛과 재료의 상호 작용을 물리적으로 정확한 방식으로 시뮬레이션하는 렌더링 접근 방식입니다. PBR 재료는 다음과 같은 실제 물리적 속성에 해당하는 매개변수로 정의됩니다.

• 기본 색상 (알베도): 재료의 고유한 색상.
• 금속성: 재료가 금속성인지 비금속성인지 나타냅니다.
• 거칠기: 표면 거칠기를 설명하며, 경면 반사량에 영향을 미칩니다. 거친 표면은 빛을 더 확산적으로 산란시키는 반면, 매끄러운 표면은 더 선명한 반사를 생성합니다.
• 경면: 경면 반사의 강도를 제어합니다.
• 노멀 맵: 노멀 벡터를 저장하는 텍스처로, 폴리곤 수를 실제로 늘리지 않고도 상세한 표면 기하학을 시뮬레이션할 수 있습니다.

PBR 재료를 사용하면 다양한 환경에서 더욱 사실적이고 일관된 조명 효과를 만들 수 있습니다. 전역 조명 기술과 결합될 때 PBR은 예외적으로 사실적인 결과를 생성할 수 있습니다.

PBR과 WebGL 레이 트레이싱 GI 통합

PBR을 WebGL 레이 트레이싱 전역 조명과 통합하려면 레이 트레이싱 알고리즘 내의 셰이딩 계산에서 PBR 재료 속성을 사용해야 합니다.

여기에는 다음이 포함됩니다.

• BRDF 평가: 양방향 반사 분포 함수(BRDF)는 특정 지점에서 표면으로부터 빛이 어떻게 반사되는지를 설명합니다. PBR 재료는 쿡-토랜스 BRDF와 같이 물리적 원리에 기반한 특정 BRDF를 사용합니다.
• 환경 샘플링: 전역 조명을 계산할 때 표면에 도달하는 빛의 양을 추정하기 위해 주변 환경을 샘플링해야 합니다. 이는 환경 맵을 사용하거나 광선을 추적하여 장면을 직접 샘플링함으로써 수행될 수 있습니다.
• 에너지 보존 적용: PBR 재료는 에너지 보존적입니다. 즉, 표면에서 반사되는 총 빛의 양은 표면에 입사하는 빛의 양을 초과할 수 없습니다. 이 제약 조건은 조명이 사실적으로 보이도록 하는 데 도움이 됩니다.

쿡-토랜스 BRDF는 구현이 비교적 간단하고 사실적인 결과를 생성하기 때문에 PBR 렌더링에 인기 있는 선택입니다. 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.

• 확산 항: 표면에서 확산적으로 산란되는 빛을 나타냅니다. 이는 일반적으로 램버트 코사인 법칙을 사용하여 계산됩니다.
• 경면 항: 표면에서 경면적으로 반사되는 빛을 나타냅니다. 이 구성 요소는 표면이 작고 완벽하게 반사되는 미세 면으로 구성되어 있다고 가정하는 미세 면 모델을 사용하여 계산됩니다.
• 기하학 함수: 미세 면의 마스킹 및 그림자를 설명합니다.
• 프레넬 항: 다른 각도에서 표면에서 반사되는 빛의 양을 설명합니다.
• 분포 함수: 미세 면 노멀의 분포를 설명합니다.

성능 고려 사항

레이 트레이싱, 특히 전역 조명이 포함된 레이 트레이싱은 계산 집약적입니다. WebGL에서 실시간 성능을 달성하려면 신중한 최적화와 하드웨어 기능 고려가 필요합니다.

다음은 몇 가지 주요 성능 최적화 기술입니다.

• 경계 볼륨 계층 구조 (BVH): BVH 또는 다른 공간 가속 구조를 사용하여 광선-장면 교차 테스트 수를 줄입니다.
• 광선 배치 처리: GPU 활용도를 높이기 위해 광선을 배치로 처리합니다.
• 적응형 샘플링: 더 많은 샘플이 필요한 이미지 영역에 계산 리소스를 집중하기 위해 적응형 샘플링 기술을 사용합니다.
• 노이즈 제거: 렌더링된 이미지의 노이즈를 줄이기 위해 노이즈 제거 알고리즘을 적용하여 픽셀당 샘플 수를 줄일 수 있습니다. 시간적 누적 또한 최종 이미지의 노이즈를 제거하는 데 도움이 될 수 있습니다.
• 하드웨어 가속: 사용 가능한 경우 하드웨어 레이 트레이싱 확장을 활용합니다.
• 낮은 해상도: 더 낮은 해상도로 렌더링하고 이미지를 업스케일링하여 성능을 향상시킵니다.
• 점진적 렌더링: 점진적 렌더링을 사용하여 초기 저품질 이미지를 빠르게 표시한 다음 시간이 지남에 따라 점진적으로 개선합니다.
• 셰이더 최적화: 셰이딩 계산의 계산 비용을 줄이기 위해 셰이더 코드를 신중하게 최적화합니다.

도전 과제 및 미래 방향

WebGL 레이 트레이싱 전역 조명이 엄청난 잠재력을 가지고 있지만, 몇 가지 과제가 남아 있습니다.

• 하드웨어 요구 사항: 레이 트레이싱 성능은 기본 하드웨어에 크게 의존합니다. 모든 장치가 하드웨어 레이 트레이싱을 지원하는 것은 아니며, 성능은 다양한 GPU에 따라 크게 달라질 수 있습니다.
• 복잡성: 레이 트레이싱 알고리즘을 구현하고 기존 WebGL 애플리케이션과 통합하는 것은 복잡하고 시간이 많이 소요될 수 있습니다.
• 성능 최적화: 실시간 성능을 달성하려면 최적화에 상당한 노력과 하드웨어 제약 조건에 대한 신중한 고려가 필요합니다.
• 브라우저 지원: 레이 트레이싱 확장에 대한 일관된 브라우저 지원은 광범위한 채택을 위해 매우 중요합니다.

이러한 도전 과제에도 불구하고 WebGL 레이 트레이싱의 미래는 유망해 보입니다. 하드웨어와 소프트웨어가 계속 발전함에 따라 웹 애플리케이션에 더 정교하고 성능이 뛰어난 레이 트레이싱 기술이 통합될 것으로 예상할 수 있습니다. WebGPU는 이를 실현하는 데 중요한 역할을 할 것입니다.

이 분야의 향후 연구 및 개발은 다음 사항에 중점을 둘 수 있습니다.

• 향상된 레이 트레이싱 알고리즘: 웹 기반 환경에 적합한 더 효율적이고 견고한 레이 트레이싱 알고리즘 개발.
• 고급 노이즈 제거 기술: 성능 영향이 최소화되면서 레이 트레이싱 이미지의 노이즈를 줄일 수 있는 더 효과적인 노이즈 제거 알고리즘 생성.
• 자동 최적화: 하드웨어 기능 및 장면 복잡성을 기반으로 레이 트레이싱 성능을 자동으로 최적화하는 도구 및 기술 개발.
• AI와의 통합: AI를 사용하여 노이즈 제거를 가속화하거나 장면을 지능적으로 샘플링하는 등, AI 및 머신러닝을 활용하여 레이 트레이싱 성능과 품질을 향상.

결론

WebGL 레이 트레이싱 전역 조명은 웹 애플리케이션에서 물리적으로 정확한 조명을 구현하는 데 중요한 진전을 의미합니다. 레이 트레이싱과 PBR의 힘을 활용함으로써 개발자들은 한때 오프라인 렌더링 환경에서만 가능했던 더욱 사실적이고 몰입감 있는 3D 경험을 만들 수 있습니다. 여전히 과제가 남아 있지만, 하드웨어 및 소프트웨어의 지속적인 발전은 실시간 레이 트레이싱이 웹 그래픽의 표준 기능이 되는 미래를 위한 길을 열고 있습니다. 기술이 성숙함에 따라 가상 세계와 현실 세계의 경계를 허무는 시각적으로 놀랍고 상호 작용적인 새로운 웹 애플리케이션의 물결을 기대할 수 있습니다. 대화형 제품 구성 도구와 건축 시각화부터 몰입형 게임 경험 및 가상 현실 애플리케이션에 이르기까지, WebGL 레이 트레이싱 전역 조명은 웹에서 3D 콘텐츠와 상호 작용하는 방식을 혁신할 잠재력을 가지고 있습니다.