WebGL Raytracing Global Illumination: Fysiek Accurate Verlichting Realiseren in Webapplicaties

Het streven naar realisme in 3D-graphics heeft geleid tot continue innovatie in renderingtechnieken. Raytracing, ooit beperkt tot offline rendering vanwege de rekenkundige eisen, wordt nu steeds toegankelijker in real-time omgevingen, dankzij vorderingen in hardware en API's zoals WebGL. Dit artikel duikt in de fascinerende wereld van WebGL raytracing globale belichting, en onderzoekt hoe fysiek accurate verlichting kan worden bereikt binnen webapplicaties.

Globale Belichting Begrijpen

Globale belichting (GI) verwijst naar een reeks renderingtechnieken die de manier simuleren waarop licht door een scène weerkaatst, waardoor een realistischere en meer meeslepende visuele ervaring ontstaat. In tegenstelling tot directe belichting, die alleen rekening houdt met lichtbronnen die oppervlakken direct verlichten, houdt GI rekening met indirecte belichting – licht dat wordt gereflecteerd, gebroken of verspreid vanaf andere oppervlakken in de omgeving. Dit omvat effecten zoals:

• Diffuse Interreflectie: Licht dat weerkaatst tussen diffuse oppervlakken, wat resulteert in kleurverloop en subtiele omgevingslicht. Stel je een rode muur voor die een vage rode tint werpt op een nabijgelegen witte vloer.
• Spiegelende Reflectie: Nauwkeurige reflecties van lichtbronnen en de omringende omgeving op glanzende oppervlakken. Denk aan de reflectie van een raam in een gepolijste metalen bol.
• Breking: Licht dat buigt wanneer het door transparante materialen gaat, waardoor realistische vervormingen en caustics ontstaan. Denk aan de manier waarop een glas water licht buigt, waardoor patronen op het oppervlak eronder ontstaan.
• Subsurface Scattering (SSS): Licht dat doorschijnende materialen binnendringt en intern verspreidt voordat het uittreedt, wat resulteert in een zachte, verlichte uitstraling. Voorbeelden zijn huid, marmer en melk.

Het bereiken van realistische globale belichting verbetert de visuele kwaliteit van 3D-scènes aanzienlijk, waardoor ze geloofwaardiger en boeiender worden. Het nauwkeurig simuleren van deze effecten is echter rekenkundig intensief.

Raytracing: Een Pad naar Realistische Verlichting

Raytracing is een renderingtechniek die het gedrag van licht simuleert door stralen te traceren vanaf de camera (of het oog) door elke pixel in de afbeelding en de scène in. Wanneer een straal een oppervlak snijdt, bepaalt de raytracer de kleur en helderheid van dat punt door rekening te houden met de lichteffecten op die locatie. Dit proces kan recursief worden herhaald om reflecties, refracties en andere complexe lichtinteracties te simuleren.

Traditionele op rasterisatie gebaseerde rendering, jarenlang de dominante methode in real-time graphics, benadert globale belichting via technieken zoals ambient occlusion, screen-space reflections en light probes. Hoewel deze methoden visueel aantrekkelijke resultaten kunnen opleveren, ontberen ze vaak de nauwkeurigheid en fysieke correctheid van raytracing.

Raytracing daarentegen, behandelt van nature globale belichtingseffecten door de paden van lichtstralen te volgen terwijl ze interageren met de scène. Dit maakt een nauwkeurige simulatie van reflecties, refracties en andere complexe lichttransportfenomenen mogelijk.

WebGL en Raytracing: Een Groeiend Landschap

WebGL (Web Graphics Library) is een JavaScript API voor het renderen van interactieve 2D- en 3D-graphics binnen elke compatibele webbrowser zonder het gebruik van plug-ins. Het maakt gebruik van de onderliggende grafische verwerkingseenheid (GPU) om de renderingprestaties te versnellen. Traditioneel is WebGL geassocieerd met op rasterisatie gebaseerde rendering.

Echter, recente ontwikkelingen in WebGL, met name de introductie van WebGL 2 en extensies zoals GL_EXT_ray_tracing en WEBGL_gpu_acceleration, openen mogelijkheden voor het integreren van raytracingtechnieken in webapplicaties. Deze extensies bieden toegang tot GPU-versnelde raytracingfunctionaliteit, waardoor ontwikkelaars realistischere en visueel verbluffende webgebaseerde ervaringen kunnen creëren.

Er bestaan verschillende benaderingen voor het implementeren van raytracing in WebGL:

• Compute Shaders: Compute shaders maken algemene berekeningen op de GPU mogelijk. Raytracing-algoritmen kunnen worden geïmplementeerd met behulp van compute shaders, waarbij ray-scene-intersectietests worden uitgevoerd en lichteffecten worden berekend. Deze aanpak vereist meer handmatige implementatie, maar biedt flexibiliteit en controle.
• Hardware-versnelde Raytracing Extensies: Extensies zoals GL_EXT_ray_tracing bieden directe toegang tot hardware-raytracingmogelijkheden, indien beschikbaar op het apparaat van de gebruiker. Deze aanpak kan de prestaties aanzienlijk verbeteren in vergelijking met op compute shaders gebaseerde implementaties. Het is echter afhankelijk van de beschikbaarheid van specifieke hardware en driverondersteuning.
• WebGPU: WebGPU is een opvolger van WebGL, ontworpen om een modernere en efficiëntere API te bieden voor toegang tot GPU-mogelijkheden. WebGPU heeft native ondersteuning voor raytracing, waardoor het een veelbelovend platform is voor toekomstige webgebaseerde raytracing-applicaties.

WebGL Raytracing Globale Belichting Implementeren

Het implementeren van WebGL raytracing globale belichting is een complexe onderneming die een gedegen begrip vereist van computergrafische principes, raytracing-algoritmen en WebGL-programmering.

Hier is een vereenvoudigd overzicht van de typische stappen die hierbij betrokken zijn:

1. Scènerepresentatie: Representeer de 3D-scène met behulp van datastructuren die efficiënt zijn voor ray-scene-intersectietests. Veelvoorkomende datastructuren omvatten bounding volume hierarchies (BVH's) en k-d bomen. Deze structuren helpen het raytracingproces te versnellen door snel grote delen van de scène te negeren die waarschijnlijk niet door een gegeven straal zullen worden doorsneden.
2. Straalgeneratie: Genereer stralen vanaf de camera door elke pixel in de afbeelding. De richting van elke straal wordt bepaald door de positie, oriëntatie en het gezichtsveld van de camera.
3. Straal-Scène Intersectie: Voor elke straal, voer intersectietests uit tegen alle objecten in de scène. Dit omvat het bepalen of de straal elk object doorsnijdt en, zo ja, het berekenen van het intersectiepunt.
4. Schaduwberekening: Bereken op het intersectiepunt de kleur en helderheid van het oppervlak op basis van het belichtingsmodel. Dit omvat het overwegen van directe belichting van lichtbronnen, evenals indirecte belichting van globale belichtingseffecten.
5. Globale Belichtingssampling: Voor globale belichting, werp aanvullende stralen vanaf het intersectiepunt om de omringende omgeving te samplen. Deze stralen worden gebruikt om de hoeveelheid licht te schatten die op het punt aankomt vanaf andere oppervlakken in de scène. Technieken zoals path tracing, Monte Carlo-integratie en importance sampling worden vaak gebruikt om het lichttransport efficiënt te samplen.
6. Recursieve Raytracing: Herhaal recursief stappen 3-5 voor reflectie- en refractiestralen, waarbij de paden van licht worden gevolgd terwijl het door de scène weerkaatst. De recursiediepte is doorgaans beperkt om buitensporige berekeningen te voorkomen.
7. Output: Voer de uiteindelijke kleur voor elke pixel uit naar het WebGL-canvas.

Path Tracing: Een Krachtige GI Techniek

Path tracing is een Monte Carlo raytracing-algoritme dat globale belichting simuleert door willekeurige lichtpaden door de scène te traceren. Het is een conceptueel eenvoudige maar krachtige techniek die zeer realistische resultaten kan opleveren.

Bij path tracing worden, in plaats van alleen stralen vanaf de camera te traceren, ook stralen vanaf de lichtbronnen getraceerd. Deze stralen weerkaatsen door de scène, interageren met oppervlakken, totdat ze uiteindelijk de camera bereiken. De kleur van elke pixel wordt vervolgens bepaald door de bijdragen van alle lichtpaden die de camera via die pixel bereiken, te middelen.

Path tracing is inherent een Monte Carlo-methode, wat betekent dat het afhankelijk is van willekeurige sampling om het lichttransport te schatten. Dit kan leiden tot ruis in afbeeldingen, vooral met een klein aantal samples. De ruis kan echter worden verminderd door het aantal samples per pixel te verhogen. Progressieve renderingtechnieken, waarbij de afbeelding geleidelijk wordt verfijnd naarmate er meer samples worden verzameld, worden vaak gebruikt om de gebruikerservaring te verbeteren.

Voorbeeld: Diffuse Globale Belichting Implementeren met Path Tracing

Laten we een vereenvoudigd voorbeeld bekijken van het implementeren van diffuse globale belichting met behulp van path tracing in WebGL. Dit voorbeeld richt zich op het kernconcept van het traceren van stralen om indirecte belichtingsinformatie te verzamelen.

Fragment Shader (Vereenvoudigd):

            #version 300 es
precision highp float;

in vec3 worldPosition;
in vec3 worldNormal;

uniform vec3 lightPosition;
uniform vec3 cameraPosition;

out vec4 fragColor;

// Willekeurige nummergenerator (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);

    // Directe Belichting (Vereenvoudigd)
    vec3 lightDir = normalize(lightPosition - worldPosition);
    float diffuse = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    vec3 directLighting = vec3(1.0, 1.0, 1.0) * diffuse;

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

        //  Vereenvoudigd: Ga uit van een constante kleur voor de eenvoud (vervang dit door daadwerkelijke scènesampling)
        indirectLighting += vec3(0.5, 0.5, 0.5); // Voorbeeld indirecte kleur
    }
    indirectLighting /= float(numSamples);

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

              
                Copy
              
            
          

Uitleg:

• Wereldpositie en Normaal: Dit zijn geïnterpoleerde vertexattributen die van de vertex shader worden doorgegeven.
• Lichtpositie en Camerapositie: Uniforme variabelen die de posities van de lichtbron en de camera weergeven.
• Willekeurige Nummergenerator: Een eenvoudige lineaire congruentiële generator (LCG) wordt gebruikt om pseudo-willekeurige getallen te genereren voor richtingssampling. Een betere RNG zou in productie moeten worden gebruikt.
• Willekeurige Richting: Genereert een willekeurige richting op de hemisfeer rond de normaalvector. Dit wordt gebruikt om het inkomende licht vanuit verschillende richtingen te samplen.
• Directe Belichting: Berekent de diffuse component van directe belichting met behulp van het dotproduct van de normaal en de lichtrichting.
• Indirecte Belichting (Path Tracing):
  • Een lus itereert een gespecificeerd aantal keren (numSamples).
  • In elke iteratie wordt een willekeurige richting gegenereerd met behulp van de functie randomDirection.
  • Vereenvoudigde Scènesampling: In dit vereenvoudigde voorbeeld gaan we uit van een constante kleur voor de indirecte belichting. In een echte implementatie zou je een straal in de richting randomDir traceren en de kleur van het object samplen dat de straal doorsnijdt. Dit omvat recursieve raytracing, wat niet wordt getoond in dit vereenvoudigde voorbeeld.
  • De indirecte belichtingsbijdrage wordt geaccumuleerd en vervolgens gedeeld door het aantal samples om een gemiddelde te verkrijgen.
• Uiteindelijke Kleur: De uiteindelijke kleur wordt berekend door de directe en indirecte belichtingscomponenten toe te voegen.

Belangrijke Opmerkingen:

• Dit is een zeer vereenvoudigd voorbeeld. Een complete path tracer vereist complexere technieken voor ray-scene intersectie, materiaalevaluatie en variantere reductie.
• Scènegegevens: Dit voorbeeld gaat ervan uit dat de scènegeometrie en materiaaleigenschappen al zijn geladen en beschikbaar zijn in de shader.
• Raytracing Implementatie: Het raytracing-gedeelte (stralen traceren en intersecties vinden) wordt in dit voorbeeld niet expliciet getoond. Er wordt aangenomen dat dit wordt afgehandeld door een ander deel van de code, zoals het gebruik van compute shaders of hardware raytracing-extensies. Het voorbeeld richt zich op het shading-aspect nadat een straal een oppervlak heeft doorsneden.
• Ruis: Path tracing produceert vaak ruisige beelden, vooral met een klein aantal samples. Technieken voor variantere reductie, zoals importance sampling en stratified sampling, kunnen worden gebruikt om de ruis te verminderen.

Physically Based Rendering (PBR)

Physically Based Rendering (PBR) is een renderingbenadering die tot doel heeft de interactie van licht met materialen op een fysiek accurate manier te simuleren. PBR-materialen worden gedefinieerd door parameters die overeenkomen met fysieke eigenschappen uit de echte wereld, zoals:

• Basiskleur (Albedo): De inherente kleur van het materiaal.
• Metallisch: Geeft aan of het materiaal metallisch of niet-metallisch is.
• Ruwheid: Beschrijft de oppervlakteruwheid, wat de hoeveelheid spiegelende reflectie beïnvloedt. Een ruw oppervlak zal licht diffuser verspreiden, terwijl een glad oppervlak scherpere reflecties zal produceren.
• Specular: Regelt de intensiteit van de spiegelende reflectie.
• Normaalmap: Een textuur die normaalvectoren opslaat, waardoor de simulatie van gedetailleerde oppervlaktegeometrie mogelijk is zonder het aantal polygonen daadwerkelijk te verhogen.

Door PBR-materialen te gebruiken, kunt u realistischere en consistentere lichteffecten creëren in verschillende omgevingen. In combinatie met globale belichtingstechnieken kan PBR uitzonderlijk realistische resultaten opleveren.

PBR Integreren met WebGL Raytracing GI

Om PBR te integreren met WebGL raytracing globale belichting, moet u PBR-materiaaleigenschappen gebruiken in de shading-berekeningen binnen het raytracing-algoritme.

Dit omvat:

• Het Evalueren van de BRDF: De Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF) beschrijft hoe licht wordt gereflecteerd vanaf een oppervlak op een bepaald punt. PBR-materialen gebruiken specifieke BRDF's die gebaseerd zijn op fysieke principes, zoals de Cook-Torrance BRDF.
• De Omgeving Samplen: Bij het berekenen van globale belichting moet u de omringende omgeving samplen om de hoeveelheid licht te schatten die op het oppervlak aankomt. Dit kan worden gedaan met behulp van omgevingskaarten of door stralen te traceren om de scène direct te samplen.
• Energiebehoud Toepassen: PBR-materialen zijn energiebehoudend, wat betekent dat de totale hoeveelheid licht die van een oppervlak wordt gereflecteerd niet groter kan zijn dan de hoeveelheid licht die erop valt. Deze beperking helpt ervoor te zorgen dat de belichting er realistisch uitziet.

De Cook-Torrance BRDF is een populaire keuze voor PBR-rendering omdat deze relatief eenvoudig te implementeren is en realistische resultaten oplevert. Het bestaat uit drie hoofdcomponenten:

• Diffuse Term: Vertegenwoordigt het licht dat diffuus vanaf het oppervlak wordt verspreid. Dit wordt typisch berekend met behulp van Lamberts cosinuswet.
• Specular Term: Vertegenwoordigt het licht dat spiegelend vanaf het oppervlak wordt gereflecteerd. Deze component wordt berekend met behulp van een microfacetmodel, dat ervan uitgaat dat het oppervlak is samengesteld uit minuscule, perfect reflecterende microfacetten.
• Geometriefunctie: Houdt rekening met de maskering en schaduwwerking van microfacetten.
• Fresnel Term: Beschrijft de hoeveelheid licht die onder verschillende hoeken vanaf het oppervlak wordt gereflecteerd.
• Distributiefunctie: Beschrijft de verdeling van microfacetnormalen.

Prestatieoverwegingen

Raytracing, vooral met globale belichting, is rekenkundig veeleisend. Het bereiken van real-time prestaties in WebGL vereist zorgvuldige optimalisatie en overweging van hardwaremogelijkheden.

Hier zijn enkele belangrijke technieken voor prestatie-optimalisatie:

• Bounding Volume Hierarchies (BVH's): Gebruik BVH's of andere ruimtelijke versnellingsstructuren om het aantal ray-scene-intersectietests te verminderen.
• Ray Batching: Verwerk stralen in batches om het GPU-gebruik te verbeteren.
• Adaptieve Sampling: Gebruik adaptieve samplingtechnieken om rekenkundige middelen te concentreren op gebieden van de afbeelding die meer samples vereisen.
• Denoising: Pas denoising-algoritmen toe om ruis in de gerenderde afbeeldingen te verminderen, waardoor minder samples per pixel nodig zijn. Temporele accumulatie kan ook helpen de uiteindelijke afbeelding te denoisen.
• Hardwareversnelling: Maak gebruik van hardware raytracing-extensies wanneer beschikbaar.
• Lagere Resolutie: Render op een lagere resolutie en schaal de afbeelding op om de prestaties te verbeteren.
• Progressieve Rendering: Gebruik progressieve rendering om snel een initiële afbeelding van lage kwaliteit weer te geven en deze vervolgens geleidelijk over tijd te verfijnen.
• Shaders Optimaliseren: Optimaliseer zorgvuldig de shadercode om de rekenkundige kosten van shading-berekeningen te verminderen.

Uitdagingen en Toekomstige Richtingen

Hoewel WebGL raytracing globale belichting een enorm potentieel heeft, blijven er verschillende uitdagingen bestaan:

• Hardwarevereisten: Raytracing-prestaties zijn sterk afhankelijk van de onderliggende hardware. Niet alle apparaten ondersteunen hardware-raytracing, en de prestaties kunnen aanzienlijk variëren tussen verschillende GPU's.
• Complexiteit: Het implementeren van raytracing-algoritmen en deze integreren met bestaande WebGL-applicaties kan complex en tijdrovend zijn.
• Prestatie-optimalisatie: Het bereiken van real-time prestaties vereist aanzienlijke inspanning op het gebied van optimalisatie en zorgvuldige overweging van hardwarebeperkingen.
• Browserondersteuning: Consistente browserondersteuning voor raytracing-extensies is cruciaal voor wijdverbreide adoptie.

Ondanks deze uitdagingen ziet de toekomst van WebGL raytracing er veelbelovend uit. Naarmate hardware en software blijven evolueren, kunnen we verwachten dat er steeds geavanceerdere en beter presterende raytracing-technieken worden geïntegreerd in webapplicaties. WebGPU zal waarschijnlijk een belangrijke rol spelen in het verwezenlijken hiervan.

Toekomstig onderzoek en ontwikkeling op dit gebied kunnen zich richten op:

• Verbeterde Raytracing-algoritmen: Het ontwikkelen van efficiëntere en robuustere raytracing-algoritmen die goed geschikt zijn voor webgebaseerde omgevingen.
• Geavanceerde Denoising-technieken: Het creëren van effectievere denoising-algoritmen die ruis in raytraced beelden kunnen verminderen met minimale prestatie-impact.
• Automatische Optimalisatie: Het ontwikkelen van tools en technieken voor het automatisch optimaliseren van raytracing-prestaties op basis van hardwaremogelijkheden en scènecomplexiteit.
• Integratie met AI: Het benutten van AI en machine learning om raytracing-prestaties en -kwaliteit te verbeteren, zoals het gebruik van AI om denoising te versnellen of om de scène intelligent te samplen.

Conclusie

WebGL raytracing globale belichting vertegenwoordigt een belangrijke stap naar het realiseren van fysiek accurate belichting in webapplicaties. Door de kracht van raytracing en PBR te benutten, kunnen ontwikkelaars realistischere en meeslependere 3D-ervaringen creëren die voorheen alleen mogelijk waren in offline renderingomgevingen. Hoewel er nog uitdagingen zijn, effenen de voortdurende vorderingen in hardware en software de weg voor een toekomst waarin real-time raytracing een standaardfunctie wordt van webgraphics. Naarmate de technologie volwassener wordt, kunnen we een nieuwe golf van visueel verbluffende en interactieve webapplicaties verwachten die de grens tussen virtuele en echte werelden doen vervagen. Van interactieve productconfigurators en architectonische visualisaties tot meeslepende game-ervaringen en virtual reality-applicaties, WebGL raytracing globale belichting heeft het potentieel om de manier waarop we omgaan met 3D-inhoud op het web te revolutioneren.