WebGL spindulių sekimo pagreitinimo struktūra: erdvinis duomenų organizavimas globalioms 3D aplikacijoms

Spindulių sekimas yra galinga atvaizdavimo technika, imituojanti šviesos elgseną realiame pasaulyje. Ji sukuria fotorealistinius vaizdus sekdama šviesos spindulių kelią per sceną. Nors spindulių sekimas užtikrina aukštesnę vaizdinę kokybę, jis reikalauja daug skaičiavimo išteklių. Norint pasiekti realaus laiko arba interaktyvius kadrų dažnius, ypač naršyklės pagrindu veikiančiose WebGL aplikacijose, būtinos pagreitinimo struktūros. Šiame straipsnyje nagrinėjami pagrindiniai pagreitinimo struktūrų, naudojamų WebGL spindulių sekimui, konceptai, daugiausia dėmesio skiriant erdviniam duomenų organizavimui ir jo poveikiui našumui.

Pagreitinimo struktūrų poreikis

Be pagreitinimo struktūrų, spindulių sekimas apima kiekvieno spindulio susikirtimą su kiekvienu objektu scenoje. Šis "brute-force" metodas sukuria O(n) sudėtingumą kiekvienam spinduliui, kur 'n' yra primityvų (trikampių, sferų ir t. t.) skaičius scenoje. Sudėtingoms scenoms su milijonais primityvų tai tampa nepaprastai brangu.

Pagreitinimo struktūros sumažina šią problemą organizuodamos scenos geometriją taip, kad galėtume greitai atmesti dideles scenos dalis, kurių neduos susikirsti duotas spindulys. Jos sumažina spindulių-primityvų susikirtimo testų skaičių, drastiškai pagerindamos atvaizdavimo našumą. Įsivaizduokite, kad ieškote konkrečios knygos bibliotekoje. Be indekso (pagreitinimo struktūros) turėtumėte patikrinti kiekvieną knygą kiekvienoje lentynoje. Indeksas leidžia greitai rasti reikiamą skyrių ir efektyviai rasti knygą. Pagreitinimo struktūros atlieka panašų tikslą spindulių sekime.

Dažniausiai naudojamos pagreitinimo struktūros

Spindulių sekime dažniausiai naudojami kelių tipų pagreitinimo struktūros. Labiausiai paplitusi yra apribojančių tūrių hierarchija (BVH), tačiau taip pat naudojami k-d medžiai ir vienalytis tinklelis. Šiame straipsnyje daugiausia dėmesio skiriama BVH dėl jų lankstumo ir efektyvumo apdorojant įvairias scenas.

Apribojančių tūrių hierarchija (BVH)

BVH yra į medį panaši duomenų struktūra, kurios kiekvienas mazgas atspindi apribojantį tūrį, apimantį primityvų rinkinį. Šakninis mazgas apima visą sceną, o kiekvienas vidinis mazgas apima scenos geometrijos poaibį. Lapų mazguose yra nuorodos į faktinius primityvus (pvz., trikampius).

Pagrindinis BVH principas yra patikrinti spindulį prieš mazgo apribojantį tūrį. Jei spindulys nesikerta su apribojančiu tūriu, tada jis negali susikirsti su jokiais primityvais, esančiais tame mazge, ir mes galime praleisti potipio naršymą. Jei spindulys susikerta su apribojančiu tūriu, mes rekursyviai naršome vaiko mazgus, kol pasiekiame lapų mazgus, kuriuose atliekame spindulių-primityvų susikirtimo testus.

BVH konstravimas:

BVH konstravimas yra esminis žingsnis, turintis didelės įtakos jo našumui. Gerai sukonstruotas BVH sumažina spindulių-apribojančio tūrio susikirtimo testų skaičių. Yra du pagrindiniai BVH konstravimo būdai: iš viršaus į apačią ir iš apačios į viršų.

• Konstravimas iš viršaus į apačią: Šis metodas prasideda nuo šakninio mazgo ir rekursyviai jį skaido, kol pasiekiami tam tikri nutraukimo kriterijai. Skaidymo procesas paprastai apima skaidymo plokštumos, kuri padalija primityvus į dvi grupes, pasirinkimą. Skaidymo plokštumos pasirinkimas yra labai svarbus. Dažniausios strategijos apima:
• Erdvinis mediana padalijimas: Padalija primityvus pagal jų erdvinę padėtį išilgai ašies (pvz., X, Y arba Z). Tai paprastas ir greitas metodas, tačiau ne visada gali lemti subalansuotus medžius.
• Objekto mediana padalijimas: Padalija primityvus pagal jų centroidų medianą. Tai dažnai sukuria geriau subalansuotus medžius nei erdvinis mediana padalijimas.
• Paviršiaus ploto heuristika (SAH): Tai sudėtingesnis metodas, kuris įvertina medžio naršymo kainą, remiantis apribojančių tūrių paviršiaus plotu. SAH siekia sumažinti tikėtiną naršymo kainą pasirinkdama skaidymo plokštumą, kuri sukuria mažiausią bendrą kainą. SAH paprastai sukuria efektyviausius BVH, tačiau jį taip pat brangiausia sukurti skaičiavimo požiūriu.
• Konstravimas iš apačios į viršų: Šis metodas prasideda nuo atskirų primityvų kaip lapų mazgų ir iteratyviai sujungia juos į didesnius apribojančius tūrius, kol susidaro vienas šakninis mazgas. Tai rečiau pasitaiko spindulių sekimo BVH, tačiau gali būti naudinga dinamiškose scenose, kai geometrija dažnai keičiasi.

Nutraukimo kriterijai:

Skaidymo procesas tęsiamas tol, kol pasiekiamas nutraukimo kriterijus. Dažniausi nutraukimo kriterijai apima:

• Maksimalus medžio gylis: Apriboja medžio gylį, kad būtų išvengta per didelio atminties naudojimo arba naršymo išlaidų.
• Minimalus primityvų skaičius viename mazge: Sustabdo mazgo skaidymą, kai jame yra nedidelis primityvų skaičius. Tipiška vertė yra 1-4 primityvai.
• Kainos slenkstis: Sustabdo mazgo skaidymą, kai numatoma tolesnio skaidymo kaina viršija tam tikrą slenkstį.

BVH naršymas:

BVH naršymo algoritmas yra rekursyvus procesas, kuris efektyviai nustato, kurie primityvai scenoje yra susikertami duotu spinduliu. Algoritmas prasideda nuo šakninio mazgo ir vyksta taip:

1. Patikrinkite spindulį prieš dabartinio mazgo apribojantį tūrį.
2. Jei spindulys nesikerta su apribojančiu tūriu, naršymas sustoja tam mazgui ir jo potipiui.
3. Jei spindulys susikerta su apribojančiu tūriu, algoritmas rekursyviai naršo vaiko mazgus.
4. Kai pasiekiamas lapų mazgas, algoritmas atlieka spindulių-primityvų susikirtimo testus kiekvienam primityvui, esančiam lapų mazge.

Erdvinio duomenų organizavimo technikos

Duomenų organizavimo būdas pagreitinimo struktūroje labai veikia jo našumą. Naudojamos kelios technikos erdviniam duomenų organizavimui optimizuoti:

Apribojančio tūrio sandarumas

Sandaresni apribojantys tūriai sumažina klaidingų teigiamų rezultatų tikimybę spindulių-apribojančio tūrio susikirtimo testuose. Sandarus apribojantis tūris glaudžiai priglunda prie apgaubtos geometrijos, sumažindamas tuščią erdvę aplink jį. Dažniausi apribojančių tūrių tipai apima:

• Ašimis sulygiuoti apribojantys laukai (AABB): AABB yra labiausiai paplitęs apribojančio tūrio tipas dėl jų paprastumo ir efektyvumo. Juos apibrėžia minimalios ir maksimalios koordinatės išilgai kiekvienos ašies. AABB yra lengva konstruoti ir susikirsti su spinduliais.
• Orientuoti apribojantys laukai (OBB): OBB yra sandaresni nei AABB, ypač objektams, kurie nėra sulygiuoti su koordinačių ašimis. Tačiau OBB yra brangesni konstruoti ir susikirsti su spinduliais.
• Sferos: Sferas lengva konstruoti ir susikirsti su spinduliais, tačiau jos gali būti netinkamos visiems geometrijos tipams.

Tinkamo apribojančio tūrio tipo pasirinkimas priklauso nuo konkrečios aplikacijos ir kompromiso tarp sandarumo ir našumo.

Mazgų tvarkymas ir atminties išdėstymas

Tvarka, kuria mazgai saugomi atmintyje, gali labai paveikti talpyklos nuoseklumą ir naršymo našumą. Mazgų, kurie greičiausiai bus pasiekiami kartu, saugojimas gretimose atminties vietose gali pagerinti talpyklos panaudojimą ir sumažinti atminties prieigos delsą.

Dažniausios mazgų tvarkymo technikos apima:

• Gylio pirmumo tvarkymas: Mazgai saugomi tokia tvarka, kokia jie yra lankomi gylio pirmumo medžio naršymo metu. Šis metodas gali pagerinti talpyklos nuoseklumą spinduliams, kurie keliauja ilgu keliu per medį.
• Plačio pirmumo tvarkymas: Mazgai saugomi tokia tvarka, kokia jie yra lankomi pločio pirmumo medžio naršymo metu. Šis metodas gali pagerinti talpyklos nuoseklumą spinduliams, kurie susikerta su daugybe mazgų tame pačiame medžio lygyje.
• Linearizavimas: BVH yra linearizuojamas į plokščią masyvą, dažnai naudojant Mortono kodą arba panašią erdvę užpildančią kreivę. Tai gali pagerinti talpyklos nuoseklumą ir įgalinti efektyvų naršymą GPU.

Optimali mazgų tvarkymo technika priklauso nuo konkrečios aparatinės įrangos architektūros ir scenos charakteristikų.

Primityvų tvarkymas

Tvarka, kuria primityvai saugomi lapų mazguose, taip pat gali paveikti našumą. Erdviškai nuoseklių primityvų grupavimas gali pagerinti talpyklos nuoseklumą ir sumažinti talpyklos praleidimų skaičių spindulių-primityvų susikirtimo testuose. Tokios technikos kaip erdvę užpildančios kreivės (pvz., Mortono tvarka) gali būti naudojamos primityvams tvarkyti pagal jų erdvinę padėtį.

WebGL svarstymai

Spindulių sekimo ir pagreitinimo struktūrų įdiegimas WebGL kelia unikalių iššūkių ir svarstymų:

Duomenų perdavimas ir atminties valdymas

Didelio duomenų kiekio (pvz., viršūnių duomenys, BVH mazgai) perdavimas iš JavaScript į GPU gali būti kliūtis. Efektyvios duomenų perdavimo technikos yra labai svarbios norint pasiekti gerą našumą. Naudojant tipizuotus masyvus (pvz., Float32Array, Uint32Array) ir sumažinant duomenų perdavimų skaičių galima sumažinti pridėtines išlaidas.

Atminties valdymas taip pat yra svarbus, ypač didelėms scenoms. WebGL turi ribotus atminties išteklius, todėl būtina efektyviai paskirstyti ir atlaisvinti atmintį, kad būtų išvengta atminties trūkumo klaidų.

Shader našumas

Spindulių sekimo ir BVH naršymo logika paprastai įgyvendinama shaderiuose (pvz., GLSL). Shader kodo optimizavimas yra labai svarbus norint pasiekti gerą našumą. Tai apima instrukcijų skaičiaus sumažinimą, efektyvių duomenų tipų naudojimą ir šakojimosi vengimą.

Pavyzdys: Vietoj bendrojo `if` teiginio, norint patikrinti spindulių-AABB susikirtimą, naudokite optimizuotą plokščių susikirtimo algoritmą, kad pasiektumėte geresnį našumą. Plokščių susikirtimo algoritmas yra specialiai sukurtas AABB ir gali būti įgyvendintas su mažiau instrukcijų.

Asinchroninės operacijos

Pagreitinimo struktūros kūrimas gali būti daug laiko reikalaujantis procesas, ypač didelėms scenoms. Atliekant šią operaciją asinchroniškai (pvz., naudojant Web Workers) galima išvengti naršyklės nereagavimo. Pagrindinis srautas gali toliau atvaizduoti sceną, kol pagreitinimo struktūra kuriama fone.

WebGPU

WebGPU atsiradimas suteikia daugiau tiesioginės kontrolės GPU, atverdamas galimybes sudėtingesniems spindulių sekimo įgyvendinimams. Su tokiomis funkcijomis kaip skaičiavimo shaderiai, kūrėjai gali efektyviau valdyti atmintį ir įgyvendinti pasirinktines pagreitinimo struktūras. Tai lemia geresnį našumą, palyginti su tradiciniu WebGL.

Globalių aplikacijų pavyzdžiai

Spindulių sekimas WebGL, pagreitintas efektyviu erdviniu duomenų organizavimu, atveria naujas galimybes įvairioms globalioms aplikacijoms:

• Interaktyvūs produktų konfigūratoriai: Įgalinkite klientus iš viso pasaulio pritaikyti produktus (pvz., baldus, automobilius) realiuoju laiku su fotorealistiniu atvaizdavimu. Įsivaizduokite, kad Europos baldų įmonė leidžia vartotojams Azijoje vizualizuoti, kaip sofa atrodys jų svetainėje su skirtingais audiniais ir apšvietimo sąlygomis, visa tai interneto naršyklėje.
• Architektūrinė vizualizacija: Leiskite architektams ir dizaineriams visame pasaulyje kurti ir tyrinėti realius pastatų ir interjerų atvaizdus naršyklėje. Dizaino įmonė Australijoje galėtų bendradarbiauti su klientais Šiaurės Amerikoje vykdydama pastato projektą, naudodama WebGL spindulių sekimą, kad realiuoju laiku vizualizuotų dizaino pakeitimus.
• Mokslinė vizualizacija: Vizualizuokite sudėtingus mokslinius duomenų rinkinius (pvz., medicininius skenavimus, klimato modelius) 3D formatu su dideliu vizualiniu tikslumu. Tyrėjai visame pasaulyje gali bendradarbiauti analizuodami duomenis per detalias spindulių sekimo vizualizacijas.
• Žaidimai ir pramogos: Sukurkite įtraukiančią žaidimų patirtį su realistiniu apšvietimu ir šešėliais, prieinama žaidėjams visame pasaulyje per jų interneto naršykles.
• E-komercija: Pagerinkite apsipirkimo internetu patirtį, pateikdami realistiškas produktų vizualizacijas. Pavyzdžiui, juvelyrikos mažmenininkas Honkonge gali pademonstruoti savo deimantų spindesį ir atspindžius su spindulių sekimo atvaizdavimu, leisdamas potencialiems pirkėjams visame pasaulyje įvertinti brangakmenių kokybę.

Praktinės įžvalgos ir geriausia praktika

• Pasirinkite tinkamą pagreitinimo struktūrą: Rinkdamiesi pagreitinimo struktūrą, atsižvelkite į savo scenos charakteristikas (pvz., statinė prieš dinaminę, primityvų skaičius). BVH paprastai yra geras pasirinkimas daugumai scenų, tačiau kitos struktūros, tokios kaip k-d medžiai arba vienalytis tinklelis, gali būti tinkamesnės konkretiems naudojimo atvejams.
• Optimizuokite BVH konstravimą: Naudokite SAH aukštos kokybės BVH, tačiau apsvarstykite paprastesnes skaidymo strategijas, tokias kaip erdvinis mediana arba objekto mediana, kad pagreitintumėte kūrimo laiką, ypač dinamiškose scenose.
• Naudokite sandarius apribojančius tūrius: Pasirinkite apribojančio tūrio tipą, kuris glaudžiai priglunda prie geometrijos, kad sumažintumėte klaidingų teigiamų rezultatų skaičių spindulių-apribojančio tūrio susikirtimo testuose.
• Optimizuokite mazgų tvarkymą: Eksperimentuokite su skirtingomis mazgų tvarkymo technikomis (pvz., gylio pirmumo, pločio pirmumo, linearizavimas), kad pagerintumėte talpyklos nuoseklumą ir naršymo našumą.
• Sumažinkite duomenų perdavimą: Naudokite tipizuotus masyvus ir sumažinkite duomenų perdavimų skaičių tarp JavaScript ir GPU.
• Optimizuokite shader kodą: Sumažinkite instrukcijų skaičių, naudokite efektyvius duomenų tipus ir venkite šakojimosi savo shaderiuose.
• Naudokite asinchronines operacijas: Atlikite BVH konstravimą ir kitas daug laiko reikalaujančias operacijas asinchroniškai, kad naršyklė netaptų nereaguojanti.
• Pasinaudokite WebGPU: Išnagrinėkite WebGPU galimybes, kad galėtumėte efektyviau valdyti atmintį ir įgyvendinti pasirinktines pagreitinimo struktūras.
• Profiliuokite ir palyginkite: Reguliariai profiliuokite ir palyginkite savo kodą, kad nustatytumėte našumo kliūtis ir atitinkamai optimizuotumėte. Naudokite naršyklės kūrėjo įrankius, kad analizuotumėte kadrų dažnius, atminties naudojimą ir shaderių našumą.

Išvada

Pagreitinimo struktūros yra būtinos norint pasiekti realaus laiko spindulių sekimo našumą WebGL. Efektyviai organizuojant erdvinius duomenis, šios struktūros sumažina spindulių-primityvų susikirtimo testų skaičių ir įgalina sudėtingų 3D scenų atvaizdavimą. Suprasti skirtingus pagreitinimo struktūrų tipus, erdvinio duomenų organizavimo technikas ir WebGL specifinius svarstymus yra labai svarbu kuriant aukšto našumo, globaliai prieinamas spindulių sekimo aplikacijas. WebGPU toliau vystantis, spindulių sekimo galimybės naršyklėje dar labiau išsiplės, įgalindamos naujas ir įdomias aplikacijas įvairiose pramonės šakose.