WebGL spindulių sekimo plėtiniai: aparatine įranga spartinamas spindulių sekimas žiniatinklyje

Daugelį metų spindulių sekimas buvo kompiuterinės grafikos šventasis Gralis, žadantis fotorealistiškus vaizdus su tiksliu apšvietimu, atspindžiais ir šešėliais. Nors tradiciškai dėl savo skaičiavimo intensyvumo jis buvo skirtas ne realaus laiko atvaizdavimui, pastarojo meto aparatinės įrangos pažanga pavertė realaus laiko spindulių sekimą realybe. Dabar, atsiradus WebGL spindulių sekimo plėtiniams, ši galinga technologija yra pasirengusi sukelti revoliuciją žiniatinklio grafikoje.

Kas yra spindulių sekimas?

Spindulių sekimas yra atvaizdavimo technika, kuri imituoja šviesos sąveiką su objektais scenoje. Vietoj daugiakampių rasterizavimo, spindulių sekimas seka šviesos spindulių kelią nuo kameros, sekdamas juos per sceną, kol jie susikerta su objektais. Apskaičiuodamas kiekvieno spindulio spalvą ir intensyvumą, spindulių sekimas sukuria vaizdus su realistišku apšvietimu, atspindžiais ir šešėliais.

Skirtingai nuo rasterizavimo, kuris šiuos efektus aproksimuoja, spindulių sekimas suteikia fiziškai tikslesnį šviesos transportavimo vaizdą, dėl kurio gaunami stulbinantys vaizdai. Tačiau šis tikslumas reikalauja didelių skaičiavimo išlaidų, todėl realaus laiko spindulių sekimas yra sudėtingas uždavinys.

Aparatine įranga spartinamo spindulių sekimo iškilimas

Siekiant įveikti tradicinio spindulių sekimo skaičiavimo apribojimus, vaizdo plokščių gamintojai sukūrė specializuotą aparatinę įrangą, skirtą spindulių sekimo skaičiavimams spartinti. Tokios technologijos kaip NVIDIA RTX ir AMD Radeon RX serijos apima specializuotus spindulių sekimo branduolius, kurie žymiai padidina našumą, todėl realaus laiko spindulių sekimas tampa įmanomas.

Šie aparatinės įrangos patobulinimai atvėrė kelią naujoms atvaizdavimo technikoms, kurios naudoja spindulių sekimą, siekdamos precedento neturinčio realizmo lygio. Žaidimai, simuliacijos ir kitos programos dabar įtraukia spinduliais sekamus atspindžius, šešėlius, globalų apšvietimą ir dar daugiau, kurdamos įtraukiančias ir vizualiai stulbinančias patirtis.

WebGL spindulių sekimo plėtiniai: spindulių sekimas žiniatinklyje

WebGL, standartinis API, skirtas interaktyviai 2D ir 3D grafikai atvaizduoti interneto naršyklėse, tradiciškai rėmėsi rasterizavimu. Tačiau, įdiegus spindulių sekimo plėtinius, WebGL dabar gali išnaudoti aparatine įranga spartinamo spindulių sekimo galią. Tai atveria daugybę galimybių žiniatinklio grafikai, leidžiant kūrėjams kurti realistiškesnes ir įdomesnes patirtis tiesiogiai naršyklėje.

Šie plėtiniai suteikia mechanizmą, leidžiantį pasiekti pagrindinę spindulių sekimo aparatinę įrangą per JavaScript ir GLSL (OpenGL Shading Language), WebGL naudojamą šešėliavimo kalbą. Naudodamiesi šiais plėtiniais, kūrėjai gali integruoti spindulių sekimą į savo žiniatinklio programas, pasinaudodami specializuotos spindulių sekimo aparatinės įrangos našumo pranašumais.

Pagrindiniai WebGL spindulių sekimo plėtiniai:

• GL_EXT_ray_tracing: Šis pagrindinis plėtinys suteikia pagrindą spindulių sekimui WebGL, apibrėždamas pagrindines spindulių sekimo funkcijas ir duomenų struktūras. Jis leidžia kūrėjams kurti spartinimo struktūras, paleisti spindulius ir gauti spindulių sekimo rezultatus.
• GL_EXT_acceleration_structure: Šis plėtinys apibrėžia spartinimo struktūras, kurios yra hierarchinės duomenų struktūros, naudojamos efektyviam spindulių susikirtimui su scenos geometrija. Spartinimo struktūrų kūrimas ir valdymas yra esminis spindulių sekimo žingsnis, nes jis žymiai veikia našumą.
• GL_EXT_ray_query: Šis plėtinys suteikia mechanizmą spindulių sekimo rezultatams gauti, pavyzdžiui, susidūrimo atstumui, susidūrimo geometrijai ir paviršiaus normalei susikirtimo taške. Ši informacija yra būtina šešėliavimo ir apšvietimo skaičiavimams.

WebGL spindulių sekimo privalumai

Spindulių sekimo plėtinių įdiegimas į WebGL suteikia keletą reikšmingų privalumų:

• Pagerinta vizualinė kokybė: Spindulių sekimas leidžia realistiškiau atvaizduoti atspindžius, šešėlius ir globalų apšvietimą, todėl žiniatinklio patirtys tampa vizualiai stulbinančios ir įtraukiančios.
• Pagerintas našumas: Aparatine įranga spartinamas spindulių sekimas suteikia didelį našumo pranašumą, palyginti su tradicinėmis rasterizavimo technikomis, leidžiant kurti sudėtingesnes ir detalesnes scenas.
• Naujos kūrybinės galimybės: Spindulių sekimas atveria naujas kūrybines galimybes žiniatinklio kūrėjams, leidžiant jiems kurti inovatyvias ir vizualiai įtikinamas programas, kurios anksčiau buvo neįmanomos.
• Suderinamumas su įvairiomis platformomis: WebGL yra API, veikiantis įvairiose platformose, o tai reiškia, kad spindulių sekimo programos, sukurtos naudojant WebGL, veiks bet kuriame įrenginyje su suderinama naršykle ir aparatine įranga.
• Prieinamumas: WebGL suteikia patogią ir prieinamą platformą spindulių sekimo programoms diegti, nes vartotojai gali jas tiesiog pasiekti per interneto naršyklę, nereikalaujant jokios papildomos programinės įrangos diegimo.

WebGL spindulių sekimo panaudojimo atvejai

WebGL spindulių sekimas turi platų potencialių pritaikymų spektrą įvairiose pramonės šakose:

• Žaidimai: Spindulių sekimas gali pagerinti internetinių žaidimų vizualinį tikslumą, sukuriant labiau įtraukiančias ir realistiškesnes žaidimų patirtis. Įsivaizduokite, kad žaidžiate pirmojo asmens šaudyklę su spinduliais sekamais atspindžiais ir šešėliais arba tyrinėjate virtualų pasaulį su realistišku globaliu apšvietimu.
• Produktų vizualizacija: Spindulių sekimas gali būti naudojamas kuriant realistiškus produktų atvaizdus, leidžiančius klientams išsamiai juos apžiūrėti prieš perkant. Pavyzdžiui, baldų pardavėjas galėtų naudoti spindulių sekimą, kad pademonstruotų savo produktų tekstūras ir apšvietimą virtualiame salone.
• Architektūrinė vizualizacija: Architektai gali naudoti spindulių sekimą, kad sukurtų realistiškas pastatų ir interjerų vizualizacijas, leidžiančias klientams išsamiai išnagrinėti jų projektus. Tai gali padėti klientams geriau suprasti dizainą ir priimti pagrįstus sprendimus. Įsivaizduokite, kad tyrinėjate virtualų pastato modelį su realistišku apšvietimu ir atspindžiais, leidžiančiu patirti erdvę dar prieš ją pastatant.
• Virtuali realybė (VR) ir papildyta realybė (AR): Spindulių sekimas gali padidinti VR ir AR patirčių realizmą, sukuriant labiau įtraukiančias ir patrauklesnes aplinkas. Pavyzdžiui, spindulių sekimas galėtų būti naudojamas kuriant realistiškus šešėlius ir atspindžius VR žaidime arba tiksliai uždėti virtualius objektus ant realaus pasaulio AR programoje.
• Mokslinė vizualizacija: Spindulių sekimas gali būti naudojamas vizualizuoti sudėtingus mokslinius duomenis, tokius kaip skysčių dinamikos ar molekulinių struktūrų simuliacijos. Tai gali padėti mokslininkams geriau suprasti savo duomenis ir daryti naujus atradimus.
• Švietimas: Spindulių sekimas gali būti naudojamas kuriant interaktyvias edukacines simuliacijas, leidžiančias studentams tyrinėti sudėtingas sąvokas vizualiai patraukliu būdu. Pavyzdžiui, fizikos simuliacija galėtų naudoti spindulių sekimą, kad tiksliai imituotų šviesos elgesį, leidžiant studentams vizualizuoti optikos principus.

Techniniai aspektai

Nors WebGL spindulių sekimas suteikia daug privalumų, taip pat yra keletas techninių aspektų, kuriuos reikia turėti omenyje:

• Aparatinės įrangos reikalavimai: Spindulių sekimui reikalinga speciali aparatinė įranga, tokia kaip NVIDIA RTX ar AMD Radeon RX serijos GPU. Programos, naudojančios spindulių sekimą, neveiks arba veiks prastai sistemose be šios aparatinės įrangos.
• Našumo optimizavimas: Spindulių sekimas gali būti skaičiavimams imlus, todėl svarbu optimizuoti sceną ir spindulių sekimo kodą, kad būtų pasiektas geras našumas. Tam gali prireikti naudoti tokias technikas kaip detalumo lygis (LOD) ir adaptyvusis diskretizavimas.
• Spartinimo struktūrų valdymas: Spartinimo struktūrų kūrimas ir valdymas yra labai svarbūs spindulių sekimo našumui. Kūrėjai turi atidžiai apsvarstyti spartinimo struktūros pasirinkimą ir strategiją, kaip ją atnaujinti keičiantis scenai.
• Šešėlių programų (shaders) sudėtingumas: Spindulių sekimo šešėlių programos gali būti sudėtingos, reikalaujančios gero GLSL ir spindulių sekimo algoritmų išmanymo. Kūrėjams gali tekti išmokti naujų metodų, kaip rašyti efektyvias ir veiksmingas spindulių sekimo šešėlių programas.
• Derinimas: Spindulių sekimo kodo derinimas gali būti sudėtingas, nes jis apima atskirų spindulių kelių sekimą. Kūrėjams gali prireikti naudoti specializuotus derinimo įrankius klaidoms nustatyti ir ištaisyti.

Pavyzdys: spinduliais sekamų atspindžių įgyvendinimas WebGL

Panagrinėkime supaprastintą pavyzdį, kaip įgyvendinti spinduliais sekamus atspindžius WebGL naudojant spindulių sekimo plėtinius. Šis pavyzdys daro prielaidą, kad turite pagrindinę WebGL sceną, sukonfigūruotą su kamera, scenos grafu ir medžiagų sistema.

1. Sukurkite spartinimo struktūrą:

   Pirma, turite sukurti spartinimo struktūrą, kuri atspindi scenos geometriją. Tai galima padaryti naudojant GL_EXT_acceleration_structure plėtinį. Spartinimo struktūra bus naudojama efektyviam spindulių susikirtimui su scena.

2. Parašykite spindulių generavimo šešėlių programą:

   Toliau turite parašyti spindulių generavimo šešėlių programą, kuri paleis spindulius iš kameros. Ši programa iteruos per ekrano pikselius ir sugeneruos spindulį kiekvienam pikseliui.

   Štai supaprastintas spindulių generavimo šešėlių programos pavyzdys:

               #version 460 core
   #extension GL_EXT_ray_tracing : require
   
   layout(location = 0) rayPayloadInEXT vec3 hitValue;
   
   layout(binding = 0, set = 0) uniform accelerationStructureEXT topLevelAS;
   layout(binding = 1, set = 0) uniform CameraData {
       mat4 viewInverse;
       mat4 projectionInverse;
   } camera;
   
   layout(location = 0) out vec4 outColor;
   
   void main() {
       vec2 uv = vec2(gl_LaunchIDEXT.x, gl_LaunchIDEXT.y) / vec2(gl_LaunchSizeEXT.x, gl_LaunchSizeEXT.y);
       vec4 ndc = vec4(uv * 2.0 - 1.0, 0.0, 1.0);
       vec4 viewSpace = camera.projectionInverse * ndc;
       vec4 worldSpace = camera.viewInverse * vec4(viewSpace.xyz, 0.0);
       vec3 rayOrigin = vec3(camera.viewInverse[3]);
       vec3 rayDirection = normalize(worldSpace.xyz - rayOrigin);
   
       RayDescEXT rayDesc;
       rayDesc.origin = rayOrigin;
       rayDesc.direction = rayDirection;
       rayDesc.tMin = 0.001;
       rayDesc.tMax = 1000.0;
   
       traceRayEXT(topLevelAS, gl_RayFlagsOpaqueEXT, 0xFF, 0, 0, 0, rayDesc, hitValue);
   
       outColor = vec4(hitValue, 1.0);
   }
   
               
   
                 
                   Copy
                 
               
             

3. Parašykite artimiausio susidūrimo (closest hit) šešėlių programą:

   Taip pat turite parašyti artimiausio susidūrimo šešėlių programą, kuri bus vykdoma, kai spindulys susikirs su objektu. Ši programa apskaičiuos objekto spalvą susikirtimo taške ir grąžins ją kaip susidūrimo vertę.

   Štai supaprastintas artimiausio susidūrimo šešėlių programos pavyzdys:

               #version 460 core
   #extension GL_EXT_ray_tracing : require
   
   layout(location = 0) rayPayloadInEXT vec3 hitValue;
   
   hitAttributeEXT vec3 attribs;
   
   layout(location = 0) attributeEXT vec3 normal;
   
   void main() {
       vec3 n = normalize(normal);
       hitValue = vec3(0.5) + 0.5 * n;
   }
   
               
   
                 
                   Copy
                 
               
             

4. Paleiskite spindulių sekimo konvejerį:

   Galiausiai, turite paleisti spindulių sekimo konvejerį. Tai apima spartinimo struktūros, spindulių generavimo šešėlių programos ir artimiausio susidūrimo šešėlių programos susiejimą, o tada spindulių sekimo skaičiavimų paleidimą.

5. Įgyvendinkite atspindžius:

   Artimiausio susidūrimo šešėlių programoje, užuot tiesiog grąžinus paviršiaus spalvą, apskaičiuokite atspindžio vektorių. Tada paleiskite naują spindulį atspindžio kryptimi, kad nustatytumėte atspindėto objekto spalvą. Tam reikia rekursyviai kviesti spindulių sekimo konvejerį (su apribojimais, kad išvengtumėte begalinių ciklų) arba naudoti atskirą praėjimą atspindžiams. Galutinė spalva bus paviršiaus spalvos ir atspindėtos spalvos derinys.

   Tai supaprastintas pavyzdys, o realaus pasaulio įgyvendinimas apimtų sudėtingesnius skaičiavimus, tokius kaip kelių atšokimų tvarkymas, skirtingų apšvietimo šaltinių diskretizavimas ir anti-aliasing taikymas. Nepamirškite atsižvelgti į našumą, nes spindulių sekimas gali būti skaičiavimams brangus.

WebGL spindulių sekimo ateitis

WebGL spindulių sekimas vis dar yra ankstyvoje stadijoje, tačiau jis turi potencialą pakeisti žiniatinklio grafiką. Kadangi aparatine įranga spartinamas spindulių sekimas tampa plačiau prieinamas, galime tikėtis, kad vis daugiau žiniatinklio programų naudos šią technologiją. Tai lems realistiškesnes ir patrauklesnes žiniatinklio patirtis įvairiose pramonės šakose.

Be to, nuolatiniai Khronos Group, organizacijos, atsakingos už WebGL, plėtros ir standartizavimo darbai tikriausiai lems tolesnius API patobulinimus ir didesnį naršyklių gamintojų pritaikymą. Tai padarys spindulių sekimą prieinamesnį žiniatinklio kūrėjams ir paspartins WebGL spindulių sekimo ekosistemos augimą.

WebGL spindulių sekimo ateitis yra šviesi, ir galime tikėtis dar įdomesnių pokyčių ateinančiais metais. Technologijai bręstant, ji atvers naujas galimybes žiniatinklio grafikai ir sukurs naują kartą įtraukiančių ir vizualiai stulbinančių patirčių.

Pasaulinis poveikis ir prieinamumas

WebGL spindulių sekimo atsiradimas gali turėti didelį poveikį pasauliniam aukštos kokybės grafikos prieinamumui. Tradicinės aukštos klasės grafikos programos dažnai reikalauja specializuotos aparatinės ir programinės įrangos, ribojant jų prieinamumą asmenims ir organizacijoms, turinčioms pakankamai išteklių.

WebGL, būdama žiniatinklio technologija, siūlo demokratiškesnį požiūrį. Kol vartotojai turi prieigą prie suderinamos naršyklės ir aparatinės įrangos (kas tampa vis dažniau su spindulių sekimą palaikančios integruotos grafikos priėmimu), jie gali patirti šias pažangias grafikos galimybes. Tai ypač naudinga regionuose, kur prieiga prie aukštos klasės aparatinės įrangos yra ribota arba kur specializuotos programinės įrangos licencijos yra per brangios.

Be to, WebGL veikimas įvairiose platformose užtikrina, kad programos gali veikti įvairiuose įrenginiuose, nuo stacionarių ir nešiojamųjų kompiuterių iki mobiliųjų telefonų ir planšetinių kompiuterių. Tai dar labiau išplečia spindulių sekimo technologijos pasiekiamumą, padarant ją prieinamą platesnei pasaulinei auditorijai.

Tačiau svarbu pripažinti skaitmeninės atskirties potencialą, pagrįstą aparatinės įrangos galimybėmis. Nors spindulių sekimą palaikanti aparatinė įranga tampa vis labiau paplitusi, ji vis dar nėra visuotinai prieinama. Kūrėjai turėtų stengtis kurti programas, kurios būtų mastelio keičiamos ir galėtų prisitaikyti prie skirtingų aparatinės įrangos konfigūracijų, užtikrinant, kad vartotojai su mažiau galingais įrenginiais vis tiek galėtų turėti teigiamą patirtį.

Išvada

WebGL spindulių sekimo plėtiniai yra reikšmingas žingsnis į priekį žiniatinklio grafikos evoliucijoje. Atnešdami aparatine įranga spartinamą spindulių sekimą į interneto naršykles, šie plėtiniai atveria daugybę galimybių kurti realistiškesnes, patrauklesnes ir įtraukiančias patirtis. Nors yra techninių aspektų, kuriuos reikia turėti omenyje, WebGL spindulių sekimo nauda yra neabejotina, ir galime tikėtis, kad ateityje ji atliks vis svarbesnį vaidmenį žiniatinklyje.

Technologijai bręstant ir tampant plačiau pritaikomai, ji suteiks žiniatinklio kūrėjams galią kurti inovatyvias ir vizualiai stulbinančias programas, kurios anksčiau buvo neįsivaizduojamos. Žiniatinklio grafikos ateitis yra šviesi, o WebGL spindulių sekimas yra pasirengęs būti pagrindiniu šios evoliucijos varikliu.