WebGL staru izsekošanas globālā apgaismošana: Fiziski precīza apgaismojuma panākšana tīmekļa lietojumprogrammās

Reālisma sasniegšana 3D grafikā ir veicinājusi nepārtrauktus jauninājumus renderēšanas metodēs. Staru izsekošana, kas agrāk bija paredzēta bezsaistes renderēšanai tās skaitļošanas prasību dēļ, tagad kļūst arvien pieejamāka reāllaika vidēs, pateicoties aparatūras un API, piemēram, WebGL, sasniegumiem. Šis raksts iedziļinās aizraujošajā WebGL staru izsekošanas globālās apgaismošanas pasaulē, izpētot, kā panākt fiziski precīzu apgaismojumu tīmekļa lietojumprogrammās.

Globālās apgaismošanas izpratne

Globālā apgaismošana (GI) attiecas uz renderēšanas paņēmienu kopumu, kas simulē gaismas atstarošanos ap skatuvi, radot reālistiskāku un ieskaujošāku vizuālo pieredzi. Atšķirībā no tiešā apgaismojuma, kas ņem vērā tikai gaismas avotus, kas tieši apgaismo virsmas, GI ņem vērā netiešo apgaismojumu – gaismu, kas atstarota, lauzta vai izkliedēta no citām vides virsmām. Tas ietver tādus efektus kā:

• Difūzā savstarpējā atstarošana: Gaisma, kas atstarojas starp difūzām virsmām, radot krāsu asiņošanu un smalku apkārtējās vides apgaismojumu. Iedomājieties sarkanu sienu, kas uz netālu esošas baltas grīdas atspoguļo vāju sarkanu nokrāsu.
• Spoguļu atstarošana: Precīzi gaismas avotu un apkārtējās vides atspulgi uz spīdīgām virsmām. Padomājiet par loga atspulgu pulētā metāla sfērā.
• Refrakcija: Gaisma saliecas, izlaižot cauri caurspīdīgiem materiāliem, radot reālistiskus izkropļojumus un kaustiku. Apsveriet, kā ūdens glāze saliec gaismu, radot rakstus uz virsmas zemāk.
• Subsurface Scattering (SSS): Gaisma iekļūst caurspīdīgos materiālos un iekšēji izkliedējas pirms iziešanas, radot maigu, apgaismotu izskatu. Piemēri ir āda, marmors un piens.

Reālistiskas globālās apgaismošanas panākšana ievērojami uzlabo 3D ainu vizuālo kvalitāti, padarot tās ticamākas un saistošākas. Tomēr šo efektu precīza simulēšana ir skaitļošanas ziņā intensīva.

Staru izsekošana: Ceļš uz reālistisku apgaismojumu

Staru izsekošana ir renderēšanas tehnika, kas simulē gaismas uzvedību, izsekojot starus no kameras (vai acs) caur katru attēla pikseli un iekšā ainā. Kad stars krustojas ar virsmu, staru izsekotājs nosaka šī punkta krāsu un spilgtumu, ņemot vērā apgaismojuma efektus šajā vietā. Šo procesu var rekursīvi atkārtot, lai simulētu atstarojumus, refrakcijas un citas sarežģītas gaismas mijiedarbības.

Tradicionālā uz rastrēšanas balstīta renderēšana, kas daudzus gadus ir bijusi dominējošā metode reāllaika grafikā, aptuveni globālo apgaismojumu, izmantojot tādus paņēmienus kā apkārtējās vides oklūzija, ekrāna telpas atstarojumi un gaismas zondes. Lai gan šīs metodes var radīt vizuāli pievilcīgus rezultātus, tām bieži trūkst staru izsekošanas precizitātes un fiziskās pareizības.

Staru izsekošana, no otras puses, dabiski apstrādā globālās apgaismošanas efektus, sekojot gaismas staru ceļiem, kad tie mijiedarbojas ar ainu. Tas ļauj precīzi simulēt atstarojumus, refrakcijas un citas sarežģītas gaismas transportēšanas parādības.

WebGL un staru izsekošana: Augoša ainava

WebGL (Web Graphics Library) ir JavaScript API interaktīvas 2D un 3D grafikas renderēšanai jebkurā saderīgā tīmekļa pārlūkprogrammā bez spraudņu izmantošanas. Tas izmanto grafikas apstrādes bloku (GPU), lai paātrinātu renderēšanas veiktspēju. Tradicionāli WebGL ir saistīts ar uz rastrēšanas balstītu renderēšanu.

Tomēr jaunākie WebGL sasniegumi, jo īpaši ar WebGL 2 ieviešanu un tādiem paplašinājumiem kā GL_EXT_ray_tracing un WEBGL_gpu_acceleration, paver iespējas iekļaut staru izsekošanas paņēmienus tīmekļa lietojumprogrammās. Šie paplašinājumi nodrošina piekļuvi GPU paātrinātai staru izsekošanas funkcionalitātei, ļaujot izstrādātājiem izveidot reālistiskākus un vizuāli satriecošus tīmekļa pieredzes.

Pastāv vairākas pieejas staru izsekošanas ieviešanai WebGL:

• Compute Shaders: Compute shaders ļauj veikt vispārējas nozīmes aprēķinus GPU. Staru izsekošanas algoritmus var ieviest, izmantojot compute shaders, veicot staru ainu krustošanās testus un aprēķinot apgaismojuma efektus. Šai pieejai nepieciešama manuālāka ieviešana, bet tā piedāvā elastību un kontroli.
• Hardware-Accelerated Raytracing Extensions: Paplašinājumi, piemēram, GL_EXT_ray_tracing, nodrošina tiešu piekļuvi aparatūras staru izsekošanas iespējām, ja tās ir pieejamas lietotāja ierīcē. Šī pieeja var ievērojami uzlabot veiktspēju, salīdzinot ar uz compute shader balstītu ieviešanu. Tomēr tas ir atkarīgs no konkrētas aparatūras un draiveru atbalsta pieejamības.
• WebGPU: WebGPU ir WebGL pēctecis, kas izstrādāts, lai nodrošinātu modernāku un efektīvāku API piekļuvei GPU iespējām. WebGPU ir vietējais atbalsts staru izsekošanai, padarot to par daudzsološu platformu nākotnes uz tīmekli balstītām staru izsekošanas lietojumprogrammām.

WebGL staru izsekošanas globālās apgaismošanas ieviešana

WebGL staru izsekošanas globālās apgaismošanas ieviešana ir sarežģīts pasākums, kam nepieciešama stingra izpratne par datorgrafikas principiem, staru izsekošanas algoritmiem un WebGL programmēšanu.

Šeit ir vienkāršots pārskats par tipiskajiem soļiem:

1. Ainas attēlojums: Attēlojiet 3D ainu, izmantojot datu struktūras, kas ir efektīvas staru ainu krustošanās testiem. Parastās datu struktūras ietver ierobežojošā apjoma hierarhijas (BVH) un k-d kokus. Šīs struktūras palīdz paātrināt staru izsekošanas procesu, ātri atmetot lielas ainas daļas, kuras, visticamāk, nekrustojas ar noteiktu staru.
2. Staru ģenerēšana: Ģenerējiet starus no kameras caur katru attēla pikseli. Katra stara virzienu nosaka kameras pozīcija, orientācija un redzeslauks.
3. Staru ainas krustošanās: Katram staram veiciet krustošanās testus pret visiem ainas objektiem. Tas ietver noteikšanu, vai stars krustojas ar katru objektu, un, ja tā, tad krustošanās punkta aprēķināšanu.
4. Ēnošana: Krustošanās punktā aprēķiniet virsmas krāsu un spilgtumu, pamatojoties uz apgaismojuma modeli. Tas ietver tieša apgaismojuma no gaismas avotiem, kā arī netieša apgaismojuma no globālās apgaismošanas efektiem ņemšanu vērā.
5. Globālās apgaismošanas paraugu ņemšana: Globālajai apgaismošanai izmetiet papildu starus no krustošanās punkta, lai ņemtu paraugus no apkārtējās vides. Šie stari tiek izmantoti, lai novērtētu gaismas daudzumu, kas nonāk punktā no citām ainas virsmām. Lai efektīvi ņemtu paraugus no gaismas transportēšanas, bieži tiek izmantotas tādas metodes kā ceļu izsekošana, Monte Karlo integrācija un nozīmības paraugu ņemšana.
6. Rekursīvā staru izsekošana: Rekursīvi atkārtojiet 3.–5. darbību atstarošanas un refrakcijas stariem, izsekojot gaismas ceļus, kad tā atstarojas ap ainu. Rekursijas dziļums parasti ir ierobežots, lai izvairītos no pārmērīgiem aprēķiniem.
7. Izvade: Izvadiet katra pikseļa galīgo krāsu uz WebGL audekla.

Ceļu izsekošana: Jaudīga GI tehnika

Ceļu izsekošana ir Monte Karlo staru izsekošanas algoritms, kas simulē globālo apgaismošanu, izsekojot nejaušus gaismas ceļus caur ainu. Tā ir konceptuāli vienkārša, bet jaudīga tehnika, kas var radīt ļoti reālistiskus rezultātus.

Ceļu izsekošanā, nevis tikai izsekojot starus no kameras, tiek izsekoti arī stari no gaismas avotiem. Šie stari atstarojas ap ainu, mijiedarbojoties ar virsmām, līdz tie galu galā sasniedz kameru. Pēc tam katra pikseļa krāsu nosaka, aprēķinot vidējo vērtību no visiem gaismas ceļiem, kas sasniedz kameru caur šo pikseli.

Ceļu izsekošana pēc būtības ir Monte Karlo metode, kas nozīmē, ka tā paļaujas uz nejaušu paraugu ņemšanu, lai novērtētu gaismas transportēšanu. Tas var radīt trokšņainus attēlus, īpaši ar nelielu paraugu skaitu. Tomēr troksni var samazināt, palielinot paraugu skaitu uz pikseli. Progresīvas renderēšanas metodes, kur attēls pakāpeniski tiek uzlabots laika gaitā, uzkrājot vairāk paraugu, bieži tiek izmantotas, lai uzlabotu lietotāja pieredzi.

Piemērs: Difūzās globālās apgaismošanas ieviešana ar ceļu izsekošanu

Apsveriet vienkāršotu piemēru difūzās globālās apgaismošanas ieviešanai, izmantojot ceļu izsekošanu WebGL. Šis piemērs koncentrējas uz galveno koncepciju par staru izsekošanu, lai savāktu netiešu apgaismojuma informāciju.

Fragmentu ēnots (vienkāršots):

            #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
              
            
          

Paskaidrojums:

• Pasaules pozīcija un normāle: Šie ir interpolēti virsotņu atribūti, kas nodoti no virsotņu ēnots.
• Gaismas pozīcija un kameras pozīcija: Vienādi mainīgie, kas attēlo gaismas avota un kameras pozīcijas.
• Nejaušo skaitļu ģenerators: Vienkāršs lineārs kongruenciāls ģenerators (LCG) tiek izmantots pseido nejaušu skaitļu ģenerēšanai virziena paraugu ņemšanai. Ražošanā jāizmanto labāks RNG.
• Nejaušs virziens: Ģenerē nejaušu virzienu uz puslodes ap normāles vektoru. To izmanto, lai ņemtu paraugus no ienākošās gaismas no dažādiem virzieniem.
• Tiešs apgaismojums: Aprēķina tieša apgaismojuma difūzo komponentu, izmantojot normāles un gaismas virziena punktu reizinājumu.
• Netiešs apgaismojums (ceļu izsekošana):
  • Cikls atkārtojas noteiktu skaitu reižu (numSamples).
  • Katrā iterācijā nejaušs virziens tiek ģenerēts, izmantojot funkciju randomDirection.
  • Vienkāršota ainas paraugu ņemšana: Šajā vienkāršotajā piemērā mēs pieņemam nemainīgu krāsu netiešajam apgaismojumam. Īstā ieviešanā jūs izsekotu staru virzienā randomDir un ņemtu paraugus no objekta, ar kuru stars krustojas, krāsas. Tas ietver rekursīvu staru izsekošanu, kas nav parādīta šajā vienkāršotajā piemērā.
  • Netiešā apgaismojuma ieguldījums tiek uzkrāts un pēc tam dalīts ar paraugu skaitu, lai iegūtu vidējo vērtību.
• Galīgā krāsa: Galīgo krāsu aprēķina, saskaitot tiešā un netiešā apgaismojuma komponentes.

Svarīgas piezīmes:

• Šis ir ļoti vienkāršots piemērs. Pilnīgam ceļu izsekotājam ir nepieciešami sarežģītāki paņēmieni staru ainu krustošanai, materiālu novērtēšanai un dispersijas samazināšanai.
• Ainas dati: Šis piemērs pieņem, ka ainas ģeometrija un materiālu īpašības jau ir ielādētas un pieejamas ēnots.
• Staru izsekošanas ieviešana: Staru izsekošanas daļa (staru izsekošana un krustpunktu atrašana) nav skaidri parādīta šajā piemērā. Tiek pieņemts, ka to apstrādā kāda cita koda daļa, piemēram, izmantojot compute shaders vai aparatūras staru izsekošanas paplašinājumus. Piemērs koncentrējas uz ēnošanas aspektu pēc tam, kad stars ir krustojies ar virsmu.
• Trokšņi: Ceļu izsekošana bieži rada trokšņainus attēlus, īpaši ar nelielu paraugu skaitu. Dispersijas samazināšanas paņēmienus, piemēram, nozīmības paraugu ņemšanu un stratificētu paraugu ņemšanu, var izmantot, lai samazinātu troksni.

Uz fiziku balstīta renderēšana (PBR)

Uz fiziku balstīta renderēšana (PBR) ir renderēšanas pieeja, kuras mērķis ir simulēt gaismas mijiedarbību ar materiāliem fiziski precīzā veidā. PBR materiālus nosaka parametri, kas atbilst reālās pasaules fizikālajām īpašībām, piemēram:

• Pamatkrāsa (Albedo): Materiāla raksturīgā krāsa.
• Metāliskums: Norāda, vai materiāls ir metālisks vai nemetālisks.
• Rupjums: Apraksta virsmas raupjumu, kas ietekmē spoguļu atstarošanas daudzumu. Raupjā virsma izkliedēs gaismu difūzāk, savukārt gluda virsma radīs asākus atstarojumus.
• Spoguļojums: Kontrolē spoguļu atstarošanas intensitāti.
• Normāles karte: Tekstūra, kas glabā normāles vektorus, ļaujot simulēt detalizētu virsmas ģeometriju, faktiski nepalielinot daudzstūru skaitu.

Izmantojot PBR materiālus, varat izveidot reālistiskākus un konsekventākus apgaismojuma efektus dažādās vidēs. Apvienojot ar globālās apgaismošanas paņēmieniem, PBR var radīt izcili reālistiskus rezultātus.

PBR integrēšana ar WebGL staru izsekošanas GI

Lai integrētu PBR ar WebGL staru izsekošanas globālo apgaismojumu, staru izsekošanas algoritma ēnošanas aprēķinos jāizmanto PBR materiālu īpašības.

Tas ietver:

• BRDF novērtēšana: Divvirzienu atstarošanas sadales funkcija (BRDF) apraksta, kā gaisma tiek atstarota no virsmas dotajā punktā. PBR materiāli izmanto īpašus BRDF, kas balstīti uz fizikas principiem, piemēram, Cook-Torrance BRDF.
• Vides paraugu ņemšana: Aprēķinot globālo apgaismojumu, jums ir jāņem paraugi no apkārtējās vides, lai novērtētu gaismas daudzumu, kas sasniedz virsmu. To var izdarīt, izmantojot vides kartes vai izsekojot starus, lai tieši ņemtu paraugus no ainas.
• Enerģijas saglabāšanas pielietošana: PBR materiāli saglabā enerģiju, kas nozīmē, ka kopējais gaismas daudzums, kas atstarots no virsmas, nevar pārsniegt gaismas daudzumu, kas uz to krīt. Šis ierobežojums palīdz nodrošināt, ka apgaismojums izskatās reālistisks.

Cook-Torrance BRDF ir populāra izvēle PBR renderēšanai, jo to ir salīdzinoši vienkārši ieviest un tas rada reālistiskus rezultātus. To veido trīs galvenie komponenti:

• Difūzais termins: Attēlo gaismu, kas tiek difūzi izkliedēta no virsmas. To parasti aprēķina, izmantojot Lamberta kosinusa likumu.
• Spoguļu termins: Attēlo gaismu, kas tiek atstarota spoguļveidīgi no virsmas. Šo komponentu aprēķina, izmantojot mikrošķautņu modeli, kas pieņem, ka virsma sastāv no sīkām, pilnīgi atstarojošām mikrošķautnēm.
• Ģeometrijas funkcija: Ņem vērā mikrošķautņu maskēšanu un ēnošanu.
• Fresnela termins: Apraksta gaismas daudzumu, kas tiek atstarots no virsmas dažādos leņķos.
• Sadales funkcija: Apraksta mikrošķautņu normāļu sadalījumu.

Veiktspējas apsvērumi

Staru izsekošana, īpaši ar globālo apgaismojumu, ir skaitļošanas ziņā prasīga. Reāllaika veiktspējas sasniegšana WebGL prasa rūpīgu optimizāciju un aparatūras iespēju apsvēršanu.

Šeit ir daži galvenie veiktspējas optimizācijas paņēmieni:

• Ierobežojošā apjoma hierarhijas (BVH): Izmantojiet BVH vai citas telpiskās paātrinājuma struktūras, lai samazinātu staru ainu krustošanās testu skaitu.
• Staru paketes apstrāde: Apstrādājiet starus paketēs, lai uzlabotu GPU izmantošanu.
• Adaptīvā paraugu ņemšana: Izmantojiet adaptīvās paraugu ņemšanas paņēmienus, lai koncentrētu skaitļošanas resursus uz tiem attēla apgabaliem, kuriem nepieciešams vairāk paraugu.
• Trokšņu noņemšana: Izmantojiet trokšņu noņemšanas algoritmus, lai samazinātu troksni renderētajos attēlos, ļaujot iegūt mazāk paraugu uz pikseli. Laicīgā uzkrāšana var arī palīdzēt noņemt troksni no galīgā attēla.
• Aparatūras paātrinājums: Izmantojiet aparatūras staru izsekošanas paplašinājumus, kad tie ir pieejami.
• Zemāka izšķirtspēja: Renderējiet ar zemāku izšķirtspēju un palieliniet attēla izšķirtspēju, lai uzlabotu veiktspēju.
• Progresīvā renderēšana: Izmantojiet progresīvo renderēšanu, lai ātri parādītu sākotnējo zemas kvalitātes attēlu un pēc tam pakāpeniski to uzlabotu laika gaitā.
• Optimizēt ēnots: Rūpīgi optimizējiet ēnots kodu, lai samazinātu ēnošanas aprēķinu skaitļošanas izmaksas.

Izaicinājumi un nākotnes virzieni

Lai gan WebGL staru izsekošanas globālajai apgaismošanai ir milzīgs potenciāls, joprojām pastāv vairāki izaicinājumi:

• Aparatūras prasības: Staru izsekošanas veiktspēja lielā mērā ir atkarīga no aparatūras. Ne visas ierīces atbalsta aparatūras staru izsekošanu, un veiktspēja var ievērojami atšķirties dažādos GPU.
• Sarežģītība: Staru izsekošanas algoritmu ieviešana un to integrēšana esošajās WebGL lietojumprogrammās var būt sarežģīta un laikietilpīga.
• Veiktspējas optimizācija: Reāllaika veiktspējas sasniegšana prasa ievērojamas pūles optimizācijā un rūpīgu aparatūras ierobežojumu apsvēršanu.
• Pārlūkprogrammas atbalsts: Konsekvents pārlūkprogrammas atbalsts staru izsekošanas paplašinājumiem ir ļoti svarīgs plašai ieviešanai.

Neskatoties uz šiem izaicinājumiem, WebGL staru izsekošanas nākotne izskatās daudzsološa. Aparatūrai un programmatūrai turpinot attīstīties, mēs varam sagaidīt, ka tīmekļa lietojumprogrammās tiks iekļauti sarežģītāki un veiktspējīgāki staru izsekošanas paņēmieni. WebGPU, visticamāk, spēlēs nozīmīgu lomu šajā procesā.

Turpmākie pētījumi un izstrāde šajā jomā varētu koncentrēties uz:

• Uzlaboti staru izsekošanas algoritmi: Efektīvāku un robustāku staru izsekošanas algoritmu izstrāde, kas ir labi piemēroti uz tīmekli balstītām vidēm.
• Uzlaboti trokšņu noņemšanas paņēmieni: Efektīvāku trokšņu noņemšanas algoritmu izveide, kas var samazināt troksni staru izsekotajos attēlos ar minimālu ietekmi uz veiktspēju.
• Automātiska optimizācija: Rīku un paņēmienu izstrāde staru izsekošanas veiktspējas automātiskai optimizācijai, pamatojoties uz aparatūras iespējām un ainas sarežģītību.
• Integrācija ar AI: AI un mašīnmācīšanās izmantošana, lai uzlabotu staru izsekošanas veiktspēju un kvalitāti, piemēram, AI izmantošana, lai paātrinātu trokšņu noņemšanu vai inteliģenti ņemtu ainas paraugus.

Secinājums

WebGL staru izsekošanas globālā apgaismošana ir nozīmīgs solis ceļā uz fiziski precīza apgaismojuma sasniegšanu tīmekļa lietojumprogrammās. Izmantojot staru izsekošanas un PBR jaudu, izstrādātāji var izveidot reālistiskāku un ieskaujošāku 3D pieredzi, kas agrāk bija iespējama tikai bezsaistes renderēšanas vidēs. Lai gan joprojām pastāv izaicinājumi, notiekošie aparatūras un programmatūras sasniegumi paver ceļu nākotnei, kur reāllaika staru izsekošana kļūst par tīmekļa grafikas standarta funkciju. Tehnoloģijai nobriestot, mēs varam sagaidīt jaunu vizuāli satriecošu un interaktīvu tīmekļa lietojumprogrammu vilni, kas izpludina robežu starp virtuālo un reālo pasauli. Sākot no interaktīviem produktu konfiguratoriem un arhitektūras vizualizācijām līdz ieskaujošām spēļu pieredzēm un virtuālās realitātes lietojumprogrammām, WebGL staru izsekošanas globālajai apgaismošanai ir potenciāls revolucionizēt veidu, kā mēs mijiedarbojamies ar 3D saturu tīmeklī.