WebGL Ray Tracing-utvidelser: Slipp løs maskinvareakselerert strålesporing på nettet

I årevis har strålesporing (ray tracing) vært den hellige gral innen datagrafikk, med løfter om fotorealistiske bilder med nøyaktig belysning, refleksjoner og skygger. Selv om det tradisjonelt har vært forbeholdt offline-rendering på grunn av sin beregningsintensitet, har nylige fremskritt innen maskinvare gjort sanntids-strålesporing til en realitet. Nå, med introduksjonen av WebGL ray tracing-utvidelser, er denne kraftige teknologien klar til å revolusjonere nettbasert grafikk.

Hva er strålesporing?

Strålesporing er en renderingsteknikk som simulerer måten lys interagerer med objekter i en scene. I stedet for å rasterisere polygoner, følger strålesporing lysstrålenes vei fra kameraet, og sporer dem gjennom scenen til de treffer objekter. Ved å beregne fargen og intensiteten til hver stråle, produserer strålesporing bilder med realistisk belysning, refleksjoner og skygger.

I motsetning til rasterisering, som tilnærmer disse effektene, gir strålesporing en mer fysisk nøyaktig representasjon av lystransport, noe som resulterer i imponerende visuelle effekter. Imidlertid kommer denne nøyaktigheten med en betydelig beregningskostnad, noe som gjør sanntids-strålesporing til en utfordrende oppgave.

Fremveksten av maskinvareakselerert strålesporing

For å overvinne de beregningsmessige begrensningene ved tradisjonell strålesporing, har grafikkortprodusenter utviklet dedikert maskinvare for å akselerere strålesporingsberegninger. Teknologier som NVIDIAs RTX og AMDs Radeon RX-serie inkluderer spesialiserte strålesporingskjerner som betydelig øker ytelsen, noe som gjør sanntids-strålesporing mulig.

Disse maskinvarefremskrittene har banet vei for nye renderingsteknikker som utnytter strålesporing for å oppnå enestående nivåer av realisme. Spill, simuleringer og andre applikasjoner innlemmer nå strålesporede refleksjoner, skygger, global belysning og mer, noe som skaper oppslukende og visuelt imponerende opplevelser.

WebGL Ray Tracing-utvidelser: Strålesporing til nettet

WebGL, standard-API-et for rendering av interaktiv 2D- og 3D-grafikk i nettlesere, har tradisjonelt vært basert på rasterisering. Med introduksjonen av strålesporingsutvidelser er WebGL nå i stand til å utnytte kraften i maskinvareakselerert strålesporing. Dette åpner en verden av muligheter for nettbasert grafikk, og gjør det mulig for utviklere å skape mer realistiske og engasjerende opplevelser direkte i nettleseren.

Disse utvidelsene gir en mekanisme for å få tilgang til den underliggende strålesporingsmaskinvaren gjennom JavaScript og GLSL (OpenGL Shading Language), skyggeleggingsspråket som brukes av WebGL. Ved å utnytte disse utvidelsene kan utviklere integrere strålesporing i sine nettapplikasjoner og dra nytte av ytelsesfordelene ved dedikert strålesporingsmaskinvare.

Sentrale WebGL Ray Tracing-utvidelser:

• GL_EXT_ray_tracing: Denne kjerne-utvidelsen gir grunnlaget for strålesporing i WebGL, og definerer de fundamentale strålesporingsfunksjonene og datastrukturene. Den lar utviklere lage akselerasjonsstrukturer, sende ut stråler og få tilgang til strålesporingsresultater.
• GL_EXT_acceleration_structure: Denne utvidelsen definerer akselerasjonsstrukturer, som er hierarkiske datastrukturer som brukes til å effektivt finne skjæringspunkt mellom stråler og scenegeometrien. Å bygge og administrere akselerasjonsstrukturer er et avgjørende skritt i strålesporing, da det har betydelig innvirkning på ytelsen.
• GL_EXT_ray_query: Denne utvidelsen gir en mekanisme for å spørre etter strålesporingsresultater, som treffavstand, treffgeometri og overflatenormalen ved skjæringspunktet. Denne informasjonen er essensiell for skyggelegging og lysberegninger.

Fordeler med WebGL-strålesporing

Introduksjonen av strålesporingsutvidelser til WebGL gir flere betydelige fordeler:

• Forbedret visuell kvalitet: Strålesporing muliggjør mer realistisk rendering av refleksjoner, skygger og global belysning, noe som fører til visuelt imponerende og oppslukende nettopplevelser.
• Bedre ytelse: Maskinvareakselerert strålesporing gir betydelige ytelsesgevinster sammenlignet med tradisjonelle rasteriseringsbaserte teknikker, noe som tillater mer komplekse og detaljerte scener.
• Nye kreative muligheter: Strålesporing åpner for nye kreative muligheter for webutviklere, og gjør det mulig for dem å skape innovative og visuelt overbevisende applikasjoner som tidligere var umulige.
• Kryssplattform-kompatibilitet: WebGL er et kryssplattform-API, noe som betyr at strålesporingsapplikasjoner utviklet med WebGL vil kjøre på enhver enhet med en kompatibel nettleser og maskinvare.
• Tilgjengelighet: WebGL gir en praktisk og tilgjengelig plattform for å distribuere strålesporingsapplikasjoner, ettersom brukere enkelt kan få tilgang til dem via en nettleser uten å måtte installere ekstra programvare.

Bruksområder for WebGL-strålesporing

WebGL-strålesporing har et bredt spekter av potensielle bruksområder på tvers av ulike bransjer:

• Spillutvikling: Strålesporing kan forbedre den visuelle kvaliteten på nettbaserte spill, og skape mer oppslukende og realistiske spillopplevelser. Se for deg å spille et førstepersons skytespill med strålesporede refleksjoner og skygger, eller å utforske en virtuell verden med realistisk global belysning.
• Produktvisualisering: Strålesporing kan brukes til å lage realistiske renderinger av produkter, slik at kunder kan visualisere dem i detalj før de foretar et kjøp. For eksempel kan en møbelforhandler bruke strålesporing for å vise frem teksturer og belysning av produktene sine i et virtuelt utstillingsrom.
• Arkitektonisk visualisering: Arkitekter kan bruke strålesporing til å lage realistiske visualiseringer av bygninger og interiører, slik at kunder kan utforske designene deres i detalj. Dette kan hjelpe kunder med å bedre forstå designet og ta informerte beslutninger. Se for deg å utforske en virtuell modell av en bygning med realistisk belysning og refleksjoner, slik at du kan oppleve rommet før det i det hele tatt er bygget.
• Virtual Reality (VR) og Augmented Reality (AR): Strålesporing kan forbedre realismen i VR- og AR-opplevelser, og skape mer oppslukende og engasjerende miljøer. For eksempel kan strålesporing brukes til å skape realistiske skygger og refleksjoner i et VR-spill, eller til å nøyaktig legge virtuelle objekter over den virkelige verden i en AR-applikasjon.
• Vitenskapelig visualisering: Strålesporing kan brukes til å visualisere komplekse vitenskapelige data, som simuleringer av væskedynamikk eller molekylære strukturer. Dette kan hjelpe forskere med å få en bedre forståelse av dataene sine og gjøre nye oppdagelser.
• Utdanning: Strålesporing kan brukes til å lage interaktive pedagogiske simuleringer, slik at studenter kan utforske komplekse konsepter på en visuelt engasjerende måte. For eksempel kan en fysikksimulering bruke strålesporing for å nøyaktig simulere lysets oppførsel, slik at studentene kan visualisere prinsippene for optikk.

Tekniske hensyn

Selv om WebGL-strålesporing gir mange fordeler, er det også flere tekniske hensyn å ta:

• Maskinvarekrav: Strålesporing krever dedikert maskinvare, som NVIDIA RTX- eller AMD Radeon RX-serie GPU-er. Applikasjoner som bruker strålesporing vil ikke kjøre, eller vil kjøre dårlig, på systemer uten denne maskinvaren.
• Ytelsesoptimalisering: Strålesporing kan være beregningsintensivt, så det er viktig å optimalisere scenen og strålesporingskoden for å oppnå god ytelse. Dette kan innebære bruk av teknikker som detaljnivå (LOD) og adaptiv sampling.
• Håndtering av akselerasjonsstruktur: Å bygge og administrere akselerasjonsstrukturer er avgjørende for strålesporingsytelsen. Utviklere må nøye vurdere valget av akselerasjonsstruktur og strategien for å oppdatere den når scenen endres.
• Shader-kompleksitet: Strålesporings-shadere kan være komplekse og krever god forståelse av GLSL og strålesporingsalgoritmer. Utviklere må kanskje lære nye teknikker for å skrive effektive og virkningsfulle strålesporings-shadere.
• Feilsøking: Feilsøking av strålesporingskode kan være utfordrende, da det innebærer å spore banene til individuelle stråler. Utviklere må kanskje bruke spesialiserte feilsøkingsverktøy for å identifisere og rette feil.

Eksempel: Implementering av strålesporede refleksjoner i WebGL

La oss se på et forenklet eksempel på hvordan man implementerer strålesporede refleksjoner i WebGL ved hjelp av strålesporingsutvidelsene. Dette eksemplet antar at du har en grunnleggende WebGL-scene satt opp med et kamera, en scenegraf og et materialsystem.

1. Opprett en akselerasjonsstruktur:

   Først må du opprette en akselerasjonsstruktur som representerer scenegeometrien. Dette kan gjøres ved hjelp av GL_EXT_acceleration_structure-utvidelsen. Akselerasjonsstrukturen vil bli brukt til å effektivt finne skjæringspunkt mellom stråler og scenen.

2. Skriv en strålegenererings-shader:

   Deretter må du skrive en strålegenererings-shader som vil sende ut stråler fra kameraet. Denne shaderen vil iterere over pikslene på skjermen og generere en stråle for hver piksel.

   Her er et forenklet eksempel på en strålegenererings-shader:

               #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. Skriv en nærmeste-treff-shader:

   Du må også skrive en nærmeste-treff-shader (closest hit shader) som vil bli utført når en stråle treffer et objekt. Denne shaderen vil beregne fargen på objektet ved skjæringspunktet og returnere den som treffverdien.

   Her er et forenklet eksempel på en nærmeste-treff-shader:

               #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. Start strålesporings-pipelinen:

   Til slutt må du starte strålesporings-pipelinen. Dette innebærer å binde akselerasjonsstrukturen, strålegenererings-shaderen og nærmeste-treff-shaderen, og deretter sende av gårde strålesporingsberegningene.

5. Implementer refleksjoner:

   I nærmeste-treff-shaderen, i stedet for å bare returnere overflatefargen, beregn refleksjonsvektoren. Deretter sender du ut en ny stråle i refleksjonsretningen for å bestemme fargen på det reflekterte objektet. Dette krever rekursivt kall til strålesporings-pipelinen (innenfor grenser for å unngå uendelige løkker) eller bruk av et eget pass for refleksjoner. Den endelige fargen vil være en kombinasjon av overflatefargen og den reflekterte fargen.

   Dette er et forenklet eksempel, og en reell implementering ville involvere mer komplekse beregninger, som håndtering av flere sprett, sampling av forskjellige lyskilder og bruk av kantutjevning (anti-aliasing). Husk å ha ytelse i tankene, da strålesporing kan være beregningskrevende.

Fremtiden for WebGL-strålesporing

WebGL-strålesporing er fortsatt i en tidlig fase, men det har potensial til å transformere nettbasert grafikk. Etter hvert som maskinvareakselerert strålesporing blir mer utbredt, kan vi forvente å se stadig flere nettapplikasjoner som tar i bruk denne teknologien. Dette vil føre til mer realistiske og engasjerende nettopplevelser på tvers av et bredt spekter av bransjer.

Videre vil pågående utvikling og standardiseringsarbeid innenfor Khronos Group, organisasjonen ansvarlig for WebGL, sannsynligvis føre til ytterligere forbedringer i API-et og økt adopsjon blant nettleserleverandører. Dette vil gjøre strålesporing mer tilgjengelig for webutviklere og akselerere veksten av WebGL-strålesporingsøkosystemet.

Fremtiden for WebGL-strålesporing er lys, og vi kan forvente å se enda flere spennende utviklinger i årene som kommer. Etter hvert som teknologien modnes, vil den låse opp nye muligheter for nettbasert grafikk og skape en ny generasjon av oppslukende og visuelt imponerende opplevelser.

Global innvirkning og tilgjengelighet

Introduksjonen av WebGL-strålesporing har potensial til å ha en betydelig innvirkning på global tilgang til høykvalitetsgrafikk. Tradisjonelle avanserte grafikkapplikasjoner krever ofte spesialisert maskinvare og programvare, noe som begrenser tilgjengeligheten til enkeltpersoner og organisasjoner med tilstrekkelige ressurser.

WebGL, som er en nettbasert teknologi, tilbyr en mer demokratisert tilnærming. Så lenge brukere har tilgang til en kompatibel nettleser og maskinvare (stadig vanligere med utbredelsen av strålesporingskapabel integrert grafikk), kan de oppleve disse avanserte grafikkfunksjonene. Dette er spesielt gunstig i regioner med begrenset tilgang til avansert maskinvare eller der spesialiserte programvarelisenser er kostnadsdrivende.

Videre sikrer WebGLs kryssplattform-natur at applikasjoner kan kjøre på et bredt spekter av enheter, fra stasjonære og bærbare datamaskiner til mobiltelefoner og nettbrett. Dette utvider rekkevidden til strålesporingsteknologi ytterligere, og gjør den tilgjengelig for et bredere globalt publikum.

Det er imidlertid viktig å anerkjenne potensialet for et digitalt skille basert på maskinvarekapasitet. Selv om strålesporingskapabel maskinvare blir mer utbredt, er den fortsatt ikke universelt tilgjengelig. Utviklere bør strebe etter å skape applikasjoner som er skalerbare og kan tilpasse seg ulike maskinvarekonfigurasjoner, for å sikre at brukere med mindre kraftige enheter fortsatt kan ha en positiv opplevelse.

Konklusjon

WebGL ray tracing-utvidelser representerer et betydelig skritt fremover i utviklingen av nettbasert grafikk. Ved å bringe maskinvareakselerert strålesporing til nettlesere, åpner disse utvidelsene en verden av muligheter for å skape mer realistiske, engasjerende og oppslukende opplevelser. Selv om det er tekniske hensyn å ta, er fordelene med WebGL-strålesporing ubestridelige, og vi kan forvente at det vil spille en stadig viktigere rolle i fremtiden for nettet.

Etter hvert som teknologien modnes og blir mer utbredt, vil den gi webutviklere mulighet til å skape innovative og visuelt imponerende applikasjoner som tidligere var utenkelige. Fremtiden for webgrafikk er lys, og WebGL-strålesporing er posisjonert til å være en sentral drivkraft i den utviklingen.