WebGL Raytracing: Realtime Raytracing met WebGL Compute Shaders

Raytracing, een renderingtechniek die bekend staat om zijn fotorealistische beelden, is traditioneel rekenintensief geweest en voorbehouden aan offline renderingprocessen. Echter, door de vooruitgang in GPU-technologie en de introductie van compute shaders is de deur geopend naar realtime raytracing binnen WebGL, waardoor high-fidelity graphics naar web-based applicaties worden gebracht. Dit artikel biedt een uitgebreide gids voor het implementeren van realtime raytracing met behulp van compute shaders in WebGL, gericht op een wereldwijd publiek van ontwikkelaars die geïnteresseerd zijn in het verleggen van de grenzen van web-graphics.

Wat is Raytracing?

Raytracing simuleert de manier waarop licht zich in de echte wereld verplaatst. In plaats van polygonen te rasteren, werpt raytracing stralen vanuit de camera (of het oog) door elke pixel op het scherm en de scène in. Deze stralen snijden objecten, en op basis van de materiaaleigenschappen van die objecten wordt de kleur van de pixel bepaald door te berekenen hoe licht weerkaatst en interageert met het oppervlak. Dit proces kan reflecties, refracties en schaduwen omvatten, wat resulteert in zeer realistische beelden.

Kernconcepten van Raytracing:

• Ray Casting: Het proces van het uitzenden van stralen vanaf de camera de scène in.
• Intersectietests: Bepalen waar een straal objecten in de scène snijdt.
• Oppervlaktenormalen: Vectoren loodrecht op het oppervlak op het snijpunt, gebruikt om reflectie en refractie te berekenen.
• Materiaaleigenschappen: Definiëren hoe een oppervlak met licht interageert (bijv. kleur, reflectiviteit, ruwheid).
• Schaduwstralen: Stralen die vanaf het snijpunt naar lichtbronnen worden geworpen om te bepalen of het punt in de schaduw ligt.
• Reflectie- en Refractiestralen: Stralen die vanaf het snijpunt worden geworpen om reflecties en refracties te simuleren.

Waarom WebGL en Compute Shaders?

WebGL biedt een cross-platform API voor het renderen van 2D- en 3D-graphics in een webbrowser zonder het gebruik van plug-ins. Compute shaders, geïntroduceerd met WebGL 2.0, maken algemene berekeningen op de GPU mogelijk. Dit stelt ons in staat om de parallelle verwerkingskracht van de GPU te benutten om raytracingberekeningen efficiënt uit te voeren.

Voordelen van het Gebruik van WebGL voor Raytracing:

• Cross-platform Compatibiliteit: WebGL werkt in elke moderne webbrowser, ongeacht het besturingssysteem.
• Hardwareversnelling: Maakt gebruik van de GPU voor snelle rendering.
• Geen Plug-ins Vereist: Elimineert de noodzaak voor gebruikers om extra software te installeren.
• Toegankelijkheid: Maakt raytracing toegankelijk voor een breder publiek via het web.

Voordelen van het Gebruik van Compute Shaders:

• Parallelle Verwerking: Benut de massaal parallelle architectuur van GPU's voor efficiënte raytracingberekeningen.
• Flexibiliteit: Maakt aangepaste algoritmen en optimalisaties mogelijk die zijn afgestemd op raytracing.
• Directe GPU-toegang: Omzeilt de traditionele rendering-pijplijn voor meer controle.

Implementatieoverzicht

Het implementeren van raytracing in WebGL met compute shaders omvat verschillende belangrijke stappen:

1. De WebGL-context opzetten: Een WebGL-context creëren en de benodigde extensies inschakelen (WebGL 2.0 is vereist).
2. Compute Shaders aanmaken: GLSL-code schrijven voor de compute shader die de raytracingberekeningen uitvoert.
3. Shader Storage Buffer Objects (SSBO's) aanmaken: Geheugen toewijzen op de GPU om scènedata, straaldata en de uiteindelijke afbeelding op te slaan.
4. De Compute Shader uitvoeren: De compute shader starten om de gegevens te verwerken.
5. De resultaten teruglezen: De gerenderde afbeelding ophalen uit de SSBO en deze op het scherm weergeven.

Gedetailleerde Implementatiestappen

1. De WebGL-context opzetten

De eerste stap is het creëren van een WebGL 2.0-context. Dit omvat het verkrijgen van een canvas-element uit de HTML en vervolgens het aanvragen van een WebGL2RenderingContext. Foutafhandeling is cruciaal om ervoor te zorgen dat de context succesvol wordt aangemaakt.

            const canvas = document.getElementById('myCanvas');
const gl = canvas.getContext('webgl2');

if (!gl) {
  console.error('WebGL 2.0 wordt niet ondersteund.');
}
            

              
                Copy
              
            
          

2. Compute Shaders aanmaken

De kern van de raytracer is de compute shader, geschreven in GLSL. Deze shader is verantwoordelijk voor het werpen van stralen, het uitvoeren van intersectietests en het berekenen van de kleur van elke pixel. De compute shader werkt op een raster van werkgroepen, die elk een klein gebied van de afbeelding verwerken.

Hier is een vereenvoudigd voorbeeld van een compute shader die een basiskleur berekent op basis van de pixelcoördinaten:

            #version 310 es

layout (local_size_x = 8, local_size_y = 8) in;

layout (std430, binding = 0) buffer OutputBuffer {
  vec4 pixels[];
};

uniform ivec2 resolution;

void main() {
  ivec2 pixelCoord = ivec2(gl_GlobalInvocationID.xy);

  if (pixelCoord.x >= resolution.x || pixelCoord.y >= resolution.y) {
    return;
  }

  float red = float(pixelCoord.x) / float(resolution.x);
  float green = float(pixelCoord.y) / float(resolution.y);
  float blue = 0.5;

  pixels[pixelCoord.y * resolution.x + pixelCoord.x] = vec4(red, green, blue, 1.0);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Deze shader definieert een werkgroepgrootte van 8x8, een output buffer genaamd `pixels`, en een uniform variabele voor de schermresolutie. Elk werkitem (pixel) berekent zijn kleur op basis van zijn positie en schrijft deze naar de output buffer.

3. Shader Storage Buffer Objects (SSBO's) aanmaken

SSBO's worden gebruikt om data op te slaan die wordt gedeeld tussen de CPU en de GPU. In dit geval gebruiken we SSBO's om de scènedata (bijv. driehoekvertices, materiaaleigenschappen), straaldata en de uiteindelijke gerenderde afbeelding op te slaan. Maak de SSBO aan, koppel deze aan een bindingspunt en vul deze met initiële gegevens.

            // Maak de SSBO aan
const outputBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, outputBuffer);
gl.bufferData(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, imageWidth * imageHeight * 4 * 4, gl.DYNAMIC_COPY);

// Koppel de SSBO aan bindingspunt 0
gl.bindBufferBase(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, 0, outputBuffer);

            

              
                Copy
              
            
          

4. De Compute Shader uitvoeren

Om de compute shader uit te voeren, moeten we deze 'dispatchen'. Dit omvat het specificeren van het aantal werkgroepen dat in elke dimensie moet worden gestart. Het aantal werkgroepen wordt bepaald door het totale aantal pixels te delen door de werkgroepgrootte die in de shader is gedefinieerd.

            const workGroupSizeX = 8;
const workGroupSizeY = 8;
const numWorkGroupsX = Math.ceil(imageWidth / workGroupSizeX);
const numWorkGroupsY = Math.ceil(imageHeight / workGroupSizeY);

gl.dispatchCompute(numWorkGroupsX, numWorkGroupsY, 1);
gl.memoryBarrier(gl.SHADER_STORAGE_BARRIER_BIT);

            

              
                Copy
              
            
          

`gl.dispatchCompute` start de compute shader. `gl.memoryBarrier` zorgt ervoor dat de GPU klaar is met schrijven naar de SSBO voordat de CPU probeert eruit te lezen.

5. De resultaten teruglezen

Nadat de compute shader is uitgevoerd, moeten we de gerenderde afbeelding uit de SSBO teruglezen naar de CPU. Dit omvat het aanmaken van een buffer op de CPU en vervolgens het gebruik van `gl.getBufferSubData` om de gegevens van de SSBO naar de CPU-buffer te kopiëren. Maak ten slotte een afbeeldingselement met behulp van de gegevens.

            // Maak een buffer op de CPU aan om de afbeeldingsgegevens te bevatten
const imageData = new Float32Array(imageWidth * imageHeight * 4);

// Koppel de SSBO om te lezen
gl.bindBuffer(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, outputBuffer);
gl.getBufferSubData(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, 0, imageData);

// Maak een afbeeldingselement van de gegevens (voorbeeld met een bibliotheek als 'OffscreenCanvas')
// Toon de afbeelding op het scherm

            

              
                Copy
              
            
          

Scènerepresentatie en Versnellingsstructuren

Een cruciaal aspect van raytracing is het efficiënt vinden van de snijpunten tussen stralen en objecten in de scène. Brute-force intersectietests, waarbij elke straal wordt getest tegen elk object, zijn rekenkundig duur. Om de prestaties te verbeteren, worden versnellingsstructuren gebruikt om de scènedata te organiseren en snel objecten te negeren die waarschijnlijk niet met een bepaalde straal zullen snijden.

Veelgebruikte Versnellingsstructuren:

• Bounding Volume Hierarchy (BVH): Een hiërarchische boomstructuur waarbij elke node een 'bounding volume' vertegenwoordigt dat een set objecten omsluit. Dit maakt het mogelijk om snel grote delen van de scène te negeren.
• Kd-Tree: Een datastructuur voor ruimtelijke partitionering die de scène recursief in kleinere gebieden verdeelt.
• Spatial Hashing: Verdeelt de scène in een raster van cellen en slaat objecten op in de cellen waarmee ze snijden.

Voor WebGL-raytracing zijn BVH's vaak de voorkeurskeuze vanwege hun relatieve eenvoud van implementatie en goede prestaties. Het implementeren van een BVH omvat de volgende stappen:

1. Bounding Box Berekening: Bereken de 'bounding box' voor elk object in de scène (bijv. driehoeken).
2. Boomconstructie: Verdeel de scène recursief in kleinere 'bounding boxes' totdat elke 'leaf node' een klein aantal objecten bevat. Veelgebruikte splitsingscriteria zijn het middelpunt van de langste as of de 'surface area heuristic' (SAH).
3. Traversal: Doorkruis de BVH tijdens het raytracen, beginnend bij de 'root node'. Als de straal de 'bounding box' van een node snijdt, doorkruis dan recursief de kinderen ervan. Als de straal een 'leaf node' snijdt, voer dan intersectietests uit met de objecten in die node.

Voorbeeld van een BVH-structuur in GLSL (vereenvoudigd):

            struct BVHNode {
  vec3 min;
  vec3 max;
  int leftChild;
  int rightChild;
  int triangleOffset; // Index van de eerste driehoek in deze node
  int triangleCount;  // Aantal driehoeken in deze node
};

            

              
                Copy
              
            
          

Stralen-Driehoek Intersectie

De meest fundamentele intersectietest in raytracing is de stralen-driehoek intersectie. Er bestaan talloze algoritmen voor het uitvoeren van deze test, waaronder het Möller–Trumbore algoritme, dat veel wordt gebruikt vanwege zijn efficiëntie en eenvoud.

Möller–Trumbore Algoritme:

Het Möller–Trumbore algoritme berekent het snijpunt van een straal met een driehoek door een stelsel van lineaire vergelijkingen op te lossen. Het omvat het berekenen van barycentrische coördinaten, die de positie van het snijpunt binnen de driehoek bepalen. Als de barycentrische coördinaten binnen het bereik [0, 1] liggen en hun som kleiner is dan of gelijk is aan 1, snijdt de straal de driehoek.

Voorbeeld GLSL-code:

            bool rayTriangleIntersect(Ray ray, vec3 v0, vec3 v1, vec3 v2, out float t) {
  vec3 edge1 = v1 - v0;
  vec3 edge2 = v2 - v0;
  vec3 h = cross(ray.direction, edge2);
  float a = dot(edge1, h);

  if (a > -0.0001 && a < 0.0001)
    return false;    // Straal is parallel aan de driehoek

  float f = 1.0 / a;
  vec3 s = ray.origin - v0;
  float u = f * dot(s, h);

  if (u < 0.0 || u > 1.0)
    return false;

  vec3 q = cross(s, edge1);
  float v = f * dot(ray.direction, q);

  if (v < 0.0 || u + v > 1.0)
    return false;

  // In dit stadium kunnen we t berekenen om te zien waar het snijpunt op de lijn ligt.
  t = f * dot(edge2, q);

  if (t > 0.0001) // straal intersectie
  {
    return true;
  }
  else // Dit betekent dat er een lijnintersectie is, maar geen straalintersectie.
    return false;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Shading en Belichting

Zodra het snijpunt is gevonden, is de volgende stap het berekenen van de kleur van de pixel. Dit omvat het bepalen hoe licht interageert met het oppervlak op het snijpunt. Veelgebruikte shadingmodellen zijn:

• Phong Shading: Een eenvoudig shadingmodel dat de diffuse en speculaire componenten van licht berekent.
• Blinn-Phong Shading: Een verbetering ten opzichte van Phong shading die een 'halfway vector' gebruikt om de speculaire component te berekenen.
• Physically Based Rendering (PBR): Een realistischer shadingmodel dat rekening houdt met de fysische eigenschappen van materialen.

Raytracing maakt geavanceerdere lichteffecten mogelijk dan rasterisatie, zoals globale illuminatie, reflecties en refracties. Deze effecten kunnen worden geïmplementeerd door extra stralen vanaf het snijpunt te werpen.

Voorbeeld: Diffuse Belichting Berekenen

            vec3 calculateDiffuse(vec3 normal, vec3 lightDirection, vec3 objectColor) {
  float diffuseIntensity = max(dot(normal, lightDirection), 0.0);
  return diffuseIntensity * objectColor;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Prestatieoverwegingen en Optimalisaties

Raytracing is rekenintensief, en het bereiken van realtime prestaties in WebGL vereist zorgvuldige optimalisatie. Hier zijn enkele belangrijke technieken:

• Versnellingsstructuren: Zoals eerder vermeld, is het gebruik van versnellingsstructuren zoals BVH's cruciaal om het aantal intersectietests te verminderen.
• Vroegtijdige Straalbeëindiging: Beëindig stralen vroegtijdig als ze niet significant bijdragen aan de uiteindelijke afbeelding. Schaduwstralen kunnen bijvoorbeeld worden beëindigd zodra ze een object raken.
• Adaptieve Sampling: Gebruik een variabel aantal samples per pixel, afhankelijk van de complexiteit van de scène. Gebieden met veel detail of complexe belichting kunnen met meer samples worden gerenderd.
• Denoising: Gebruik denoising-algoritmen om ruis in de gerenderde afbeelding te verminderen, waardoor minder samples per pixel nodig zijn.
• Compute Shader Optimalisaties: Optimaliseer de compute shader-code door geheugentoegang te minimaliseren, vectoroperaties te gebruiken en vertakkingen te vermijden.
• Werkgroepgrootte Afstemmen: Experimenteer met verschillende werkgroepgroottes om de optimale configuratie voor de doel-GPU te vinden.
• Gebruik van Hardware Ray Tracing (indien beschikbaar): Sommige GPU's bieden nu speciale hardware voor raytracing. Controleer en gebruik extensies die deze functionaliteit in WebGL beschikbaar maken.

Wereldwijde Voorbeelden en Toepassingen

Raytracing in WebGL heeft tal van potentiële toepassingen in diverse industrieën wereldwijd:

• Gaming: Verbeter de visuele kwaliteit van web-based games met realistische belichting, reflecties en schaduwen.
• Productvisualisatie: Creëer interactieve 3D-modellen van producten met fotorealistische rendering voor e-commerce en marketing. Een meubelbedrijf in Zweden zou klanten bijvoorbeeld meubels in hun eigen huis kunnen laten visualiseren met nauwkeurige belichting en reflecties.
• Architecturale Visualisatie: Visualiseer architectonische ontwerpen met realistische belichting en materialen. Een architectenbureau in Dubai zou raytracing kunnen gebruiken om gebouwontwerpen te presenteren met nauwkeurige zonlicht- en schaduwsimulaties.
• Virtual Reality (VR) en Augmented Reality (AR): Verbeter het realisme van VR- en AR-ervaringen door raytracing-effecten te integreren. Een museum in Londen zou bijvoorbeeld een VR-tour kunnen aanbieden met verbeterde visuele details door middel van raytracing.
• Wetenschappelijke Visualisatie: Visualiseer complexe wetenschappelijke data met realistische renderingtechnieken. Een onderzoekslab in Japan zou raytracing kunnen gebruiken om moleculaire structuren te visualiseren met nauwkeurige belichting en schaduwen.
• Onderwijs: Ontwikkel interactieve educatieve tools die de principes van optica en lichttransport demonstreren.

Uitdagingen en Toekomstige Richtingen

Hoewel realtime raytracing in WebGL steeds haalbaarder wordt, blijven er verschillende uitdagingen bestaan:

• Prestaties: Het behalen van hoge framerates met complexe scènes is nog steeds een uitdaging.
• Complexiteit: Het implementeren van een volwaardige raytracer vereist aanzienlijke programmeerinspanning.
• Hardwareondersteuning: Niet alle GPU's ondersteunen de benodigde extensies voor compute shaders of hardware raytracing.

Toekomstige richtingen voor WebGL-raytracing zijn onder meer:

• Verbeterde Hardwareondersteuning: Naarmate meer GPU's speciale raytracing-hardware bevatten, zullen de prestaties aanzienlijk verbeteren.
• Gestandaardiseerde API's: De ontwikkeling van gestandaardiseerde API's voor hardware raytracing in WebGL zal het implementatieproces vereenvoudigen.
• Geavanceerde Denoising Technieken: Meer geavanceerde denoising-algoritmen zullen afbeeldingen van hogere kwaliteit met minder samples mogelijk maken.
• Integratie met WebAssembly (Wasm): Het gebruik van WebAssembly om rekenintensieve delen van de raytracer te implementeren, zou de prestaties kunnen verbeteren.

Conclusie

Realtime raytracing in WebGL met compute shaders is een snel evoluerend veld met het potentieel om web-graphics te revolutioneren. Door de basisprincipes van raytracing te begrijpen, de kracht van compute shaders te benutten en optimalisatietechnieken toe te passen, kunnen ontwikkelaars verbluffende visuele ervaringen creëren die ooit als onmogelijk werden beschouwd in een webbrowser. Naarmate hardware en software blijven verbeteren, kunnen we de komende jaren nog indrukwekkendere toepassingen van raytracing op het web verwachten, toegankelijk voor een wereldwijd publiek vanaf elk apparaat met een moderne browser.

Deze gids heeft een uitgebreid overzicht gegeven van de concepten en technieken die betrokken zijn bij het implementeren van realtime raytracing in WebGL. We moedigen ontwikkelaars wereldwijd aan om met deze technieken te experimenteren en bij te dragen aan de vooruitgang van web-graphics.