WebGL Raytracing: Sanntids strålesporing med WebGL Compute Shadere

Strålesporing (ray tracing), en renderingsteknikk kjent for sine fotorealistiske bilder, har tradisjonelt vært beregningsintensiv og forbeholdt offline renderingsprosesser. Imidlertid har fremskritt innen GPU-teknologi og introduksjonen av compute shadere åpnet døren for sanntids strålesporing i WebGL, og bringer høykvalitetsgrafikk til nettbaserte applikasjoner. Denne artikkelen gir en omfattende guide til implementering av sanntids strålesporing ved hjelp av compute shadere i WebGL, rettet mot et globalt publikum av utviklere som er interessert i å flytte grensene for webgrafikk.

Hva er strålesporing?

Strålesporing simulerer måten lys beveger seg på i den virkelige verden. I stedet for å rasterisere polygoner, sender strålesporing stråler fra kameraet (eller øyet) gjennom hver piksel på skjermen og inn i scenen. Disse strålene krysser objekter, og basert på materialegenskapene til disse objektene, bestemmes fargen på pikselen ved å beregne hvordan lys spretter og samhandler med overflaten. Denne prosessen kan inkludere refleksjoner, refraksjoner og skygger, noe som resulterer i svært realistiske bilder.

Nøkkelkonsepter i strålesporing:

• Strålekasting (Ray Casting): Prosessen med å sende stråler fra kameraet inn i scenen.
• Krysningsprøver (Intersection Tests): Bestemme hvor en stråle krysser objekter i scenen.
• Overflatenormaler (Surface Normals): Vektorer vinkelrett på overflaten ved krysningspunktet, brukt til å beregne refleksjon og refraksjon.
• Materialegenskaper: Definerer hvordan en overflate samhandler med lys (f.eks. farge, reflektivitet, ruhet).
• Skyggestråler (Shadow Rays): Stråler som sendes fra krysningspunktet mot lyskilder for å avgjøre om punktet er i skygge.
• Refleksjons- og refraksjonsstråler: Stråler som sendes fra krysningspunktet for å simulere refleksjoner og refraksjoner.

Hvorfor WebGL og Compute Shadere?

WebGL tilbyr en kryssplattform-API for rendering av 2D- og 3D-grafikk i en nettleser uten bruk av plug-ins. Compute shadere, introdusert med WebGL 2.0, muliggjør generell beregning på GPU-en. Dette lar oss utnytte den parallelle prosesseringskraften til GPU-en for å utføre strålesporingsberegninger effektivt.

Fordeler med å bruke WebGL for strålesporing:

• Kryssplattform-kompatibilitet: WebGL fungerer i alle moderne nettlesere, uavhengig av operativsystem.
• Maskinvareakselerasjon: Utnytter GPU-en for rask rendering.
• Ingen plugins kreves: Fjerner behovet for at brukere må installere tilleggsprogramvare.
• Tilgjengelighet: Gjør strålesporing tilgjengelig for et bredere publikum via nettet.

Fordeler med å bruke Compute Shadere:

• Parallellprosessering: Utnytter den massivt parallelle arkitekturen til GPU-er for effektive strålesporingsberegninger.
• Fleksibilitet: Tillater egendefinerte algoritmer og optimaliseringer skreddersydd for strålesporing.
• Direkte GPU-tilgang: Omgår den tradisjonelle renderingsrørledningen for større kontroll.

Implementeringsoversikt

Implementering av strålesporing i WebGL med compute shadere innebærer flere viktige trinn:

1. Sette opp WebGL-konteksten: Lage en WebGL-kontekst og aktivere de nødvendige utvidelsene (WebGL 2.0 er påkrevd).
2. Lage Compute Shadere: Skrive GLSL-kode for compute shaderen som utfører strålesporingsberegningene.
3. Lage Shader Storage Buffer Objects (SSBO-er): Allokere minne på GPU-en for å lagre scenedata, stråledata og det endelige bildet.
4. Utsending av Compute Shaderen: Starte compute shaderen for å behandle dataene.
5. Lese tilbake resultatene: Hente det renderede bildet fra SSBO-en og vise det på skjermen.

Detaljerte implementeringstrinn

1. Sette opp WebGL-konteksten

Det første trinnet er å opprette en WebGL 2.0-kontekst. Dette innebærer å hente et canvas-element fra HTML-en og deretter be om en WebGL2RenderingContext. Feilhåndtering er avgjørende for å sikre at konteksten opprettes vellykket.

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

if (!gl) {
  console.error('WebGL 2.0 støttes ikke.');
}
            

              
                Copy
              
            
          

2. Lage Compute Shadere

Kjernen i strålesporeren er compute shaderen, skrevet i GLSL. Denne shaderen vil være ansvarlig for å sende ut stråler, utføre krysningsprøver og beregne fargen for hver piksel. Compute shaderen vil operere på et rutenett av arbeidsgrupper, der hver gruppe behandler en liten region av bildet.

Her er et forenklet eksempel på en compute shader som beregner en grunnleggende farge basert på pikselkoordinatene:

            #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
              
            
          

Denne shaderen definerer en arbeidsgruppestørrelse på 8x8, en utdatabuffer kalt `pixels`, og en uniform-variabel for skjermoppløsningen. Hvert arbeidselement (piksel) beregner fargen sin basert på posisjonen og skriver den til utdatabufferen.

3. Lage Shader Storage Buffer Objects (SSBO-er)

SSBO-er brukes til å lagre data som deles mellom CPU og GPU. I dette tilfellet vil vi bruke SSBO-er til å lagre scenedata (f.eks. trekant-vertices, materialegenskaper), stråledata og det endelige renderede bildet. Opprett SSBO-en, bind den til et bindingspunkt, og fyll den med initialdata.

            // Opprett SSBO-en
const outputBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, outputBuffer);
gl.bufferData(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, imageWidth * imageHeight * 4 * 4, gl.DYNAMIC_COPY);

// Bind SSBO-en til bindingspunkt 0
gl.bindBufferBase(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, 0, outputBuffer);

            

              
                Copy
              
            
          

4. Utsending av Compute Shaderen

For å kjøre compute shaderen, må vi sende den ut. Dette innebærer å spesifisere antall arbeidsgrupper som skal startes i hver dimensjon. Antallet arbeidsgrupper bestemmes ved å dele det totale antallet piksler med arbeidsgruppestørrelsen definert i shaderen.

            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` starter compute shaderen. `gl.memoryBarrier` sikrer at GPU-en er ferdig med å skrive til SSBO-en før CPU-en prøver å lese fra den.

5. Lese tilbake resultatene

Etter at compute shaderen er ferdig med å kjøre, må vi lese det renderede bildet fra SSBO-en tilbake til CPU-en. Dette innebærer å opprette en buffer på CPU-en og deretter bruke `gl.getBufferSubData` for å kopiere dataene fra SSBO-en til CPU-bufferen. Til slutt, opprett et bildeelement ved hjelp av dataene.

            // Opprett en buffer på CPU-en for å holde bildedataene
const imageData = new Float32Array(imageWidth * imageHeight * 4);

// Bind SSBO-en for lesing
gl.bindBuffer(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, outputBuffer);
gl.getBufferSubData(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, 0, imageData);

// Opprett et bildeelement fra dataene (eksempel med et bibliotek som 'OffscreenCanvas')
// Vis bildet på skjermen

            

              
                Copy
              
            
          

Scenerepresentasjon og akselerasjonsstrukturer

Et avgjørende aspekt ved strålesporing er å effektivt finne krysningspunktene mellom stråler og objekter i scenen. Brute-force krysningsprøver, der hver stråle testes mot hvert objekt, er beregningsmessig dyre. For å forbedre ytelsen brukes akselerasjonsstrukturer for å organisere scenedataene og raskt forkaste objekter som det er usannsynlig at en gitt stråle vil krysse.

Vanlige akselerasjonsstrukturer:

• Bounding Volume Hierarchy (BVH): En hierarkisk trestruktur der hver node representerer et omsluttende volum som inneholder et sett med objekter. Dette gjør det mulig å raskt avvise store deler av scenen.
• Kd-tre: En rompartisjonerende datastruktur som rekursivt deler scenen inn i mindre regioner.
• Romlig hashing (Spatial Hashing): Deler scenen inn i et rutenett av celler og lagrer objekter i cellene de krysser.

For WebGL-strålesporing er BVH-er ofte det foretrukne valget på grunn av deres relativt enkle implementering og gode ytelse. Implementering av en BVH innebærer følgende trinn:

1. Beregning av omsluttende boks (Bounding Box): Beregn den omsluttende boksen for hvert objekt i scenen (f.eks. trekanter).
2. Trekonstruksjon: Del scenen rekursivt inn i mindre omsluttende bokser til hver løvnode inneholder et lite antall objekter. Vanlige delingskriterier inkluderer midtpunktet på den lengste aksen eller overflatearealheuristikken (SAH).
3. Gjennomgang (Traversal): Gå gjennom BVH-en under strålesporing, med start fra rotnoden. Hvis strålen krysser den omsluttende boksen til en node, gå rekursivt gjennom barna. Hvis strålen krysser en løvnode, utfør krysningsprøver mot objektene i den noden.

Eksempel på BVH-struktur i GLSL (forenklet):

            struct BVHNode {
  vec3 min;
  vec3 max;
  int leftChild;
  int rightChild;
  int triangleOffset; // Indeks til den første trekanten i denne noden
  int triangleCount;  // Antall trekanter i denne noden
};

            

              
                Copy
              
            
          

Stråle-trekant-kryssing

Den mest fundamentale krysningsprøven i strålesporing er stråle-trekant-kryssing. Det finnes mange algoritmer for å utføre denne testen, inkludert Möller–Trumbore-algoritmen, som er mye brukt på grunn av sin effektivitet og enkelhet.

Möller–Trumbore-algoritmen:

Möller–Trumbore-algoritmen beregner krysningspunktet mellom en stråle og en trekant ved å løse et system av lineære ligninger. Det innebærer beregning av barysentriske koordinater, som bestemmer posisjonen til krysningspunktet innenfor trekanten. Hvis de barysentriske koordinatene er innenfor området [0, 1] og summen deres er mindre enn eller lik 1, krysser strålen trekanten.

Eksempel på GLSL-kode:

            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;    // Strålen er parallell med trekanten

  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;

  // På dette stadiet kan vi beregne t for å finne ut hvor krysningspunktet er på linjen.
  t = f * dot(edge2, q);

  if (t > 0.0001) // strålekryssing
  {
    return true;
  }
  else // Dette betyr at det er en linjekryssing, men ikke en strålekryssing.
    return false;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Skyggelegging og belysning

Når krysningspunktet er funnet, er neste trinn å beregne fargen på pikselen. Dette innebærer å bestemme hvordan lys samhandler med overflaten ved krysningspunktet. Vanlige skyggeleggingsmodeller inkluderer:

• Phong Shading: En enkel skyggeleggingsmodell som beregner de diffuse og spekulære komponentene av lys.
• Blinn-Phong Shading: En forbedring av Phong-skygging som bruker en halvveisvektor for å beregne den spekulære komponenten.
• Fysisk basert rendering (PBR): En mer realistisk skyggeleggingsmodell som tar hensyn til de fysiske egenskapene til materialer.

Strålesporing gir mulighet for mer avanserte lyseffekter enn rasterisering, som global belysning, refleksjoner og refraksjoner. Disse effektene kan implementeres ved å sende ut flere stråler fra krysningspunktet.

Eksempel: Beregning av diffus belysning

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

            

              
                Copy
              
            
          

Ytelseshensyn og optimaliseringer

Strålesporing er beregningsintensivt, og å oppnå sanntidsytelse i WebGL krever nøye optimalisering. Her er noen sentrale teknikker:

• Akselerasjonsstrukturer: Som nevnt tidligere er bruk av akselerasjonsstrukturer som BVH-er avgjørende for å redusere antall krysningsprøver.
• Tidlig stråleavslutning: Avslutt stråler tidlig hvis de ikke bidrar vesentlig til det endelige bildet. For eksempel kan skyggestråler avsluttes så snart de treffer et objekt.
• Adaptiv sampling: Bruk et variabelt antall prøver per piksel, avhengig av scenens kompleksitet. Områder med høy detaljgrad eller kompleks belysning kan renderes med flere prøver.
• Støyreduksjon (Denoising): Bruk støyreduksjonsalgoritmer for å redusere støy i det renderede bildet, noe som tillater færre prøver per piksel.
• Compute Shader-optimaliseringer: Optimaliser compute shader-koden ved å minimere minnetilgang, bruke vektoroperasjoner og unngå forgrening.
• Justering av arbeidsgruppestørrelse: Eksperimenter med forskjellige arbeidsgruppestørrelser for å finne den optimale konfigurasjonen for mål-GPU-en.
• Bruk av maskinvarebasert strålesporing (hvis tilgjengelig): Noen GPU-er tilbyr nå dedikert maskinvare for strålesporing. Sjekk for og utnytt utvidelser som eksponerer denne funksjonaliteten i WebGL.

Globale eksempler og bruksområder

Strålesporing i WebGL har mange potensielle bruksområder på tvers av ulike bransjer globalt:

• Spill: Forbedre den visuelle kvaliteten på nettbaserte spill med realistisk belysning, refleksjoner og skygger.
• Produktvisualisering: Lag interaktive 3D-modeller av produkter med fotorealistisk rendering for e-handel og markedsføring. For eksempel kan et møbelfirma i Sverige la kunder visualisere møbler i sine hjem med nøyaktig belysning og refleksjoner.
• Arkitektonisk visualisering: Visualiser arkitektoniske design med realistisk belysning og materialer. Et arkitektfirma i Dubai kan bruke strålesporing for å vise frem bygningsdesign med nøyaktige sollys- og skyggesimuleringer.
• Virtuell virkelighet (VR) og utvidet virkelighet (AR): Forbedre realismen i VR- og AR-opplevelser ved å innlemme strålesporede effekter. For eksempel kan et museum i London tilby en VR-omvisning med forbedrede visuelle detaljer gjennom strålesporing.
• Vitenskapelig visualisering: Visualiser komplekse vitenskapelige data med realistiske renderingsteknikker. Et forskningslaboratorium i Japan kan bruke strålesporing for å visualisere molekylære strukturer med nøyaktig belysning og skygger.
• Utdanning: Utvikle interaktive pedagogiske verktøy som demonstrerer prinsippene for optikk og lystransport.

Utfordringer og fremtidige retninger

Selv om sanntids strålesporing i WebGL blir stadig mer gjennomførbart, gjenstår flere utfordringer:

• Ytelse: Å oppnå høye bildefrekvenser med komplekse scener er fortsatt en utfordring.
• Kompleksitet: Implementering av en fullverdig strålesporer krever betydelig programmeringsinnsats.
• Maskinvarestøtte: Ikke alle GPU-er støtter de nødvendige utvidelsene for compute shadere eller maskinvarebasert strålesporing.

Fremtidige retninger for WebGL-strålesporing inkluderer:

• Forbedret maskinvarestøtte: Etter hvert som flere GPU-er innlemmer dedikert maskinvare for strålesporing, vil ytelsen forbedres betydelig.
• Standardiserte API-er: Utviklingen av standardiserte API-er for maskinvarebasert strålesporing i WebGL vil forenkle implementeringsprosessen.
• Avanserte støyreduksjonsteknikker: Mer sofistikerte støyreduksjonsalgoritmer vil tillate bilder av høyere kvalitet med færre prøver.
• Integrasjon med WebAssembly (Wasm): Bruk av WebAssembly for å implementere beregningsintensive deler av strålesporeren kan forbedre ytelsen.

Konklusjon

Sanntids strålesporing i WebGL ved hjelp av compute shadere er et felt i rask utvikling med potensial til å revolusjonere webgrafikk. Ved å forstå det grunnleggende om strålesporing, utnytte kraften i compute shadere og bruke optimaliseringsteknikker, kan utviklere skape fantastiske visuelle opplevelser som en gang ble ansett som umulige i en nettleser. Etter hvert som maskinvare og programvare fortsetter å forbedres, kan vi forvente å se enda mer imponerende anvendelser av strålesporing på nettet i årene som kommer, tilgjengelig for et globalt publikum fra enhver enhet med en moderne nettleser.

Denne guiden har gitt en omfattende oversikt over konseptene og teknikkene som er involvert i implementering av sanntids strålesporing i WebGL. Vi oppfordrer utviklere over hele verden til å eksperimentere med disse teknikkene og bidra til fremgangen innen webgrafikk.