WebGL Raytracing Global Illumination: Oppnå fysisk nøyaktig belysning i webapplikasjoner

Jakten på realisme i 3D-grafikk har drevet kontinuerlig innovasjon innen gjengivelsesteknikker. Strålesporing (raytracing), som en gang var begrenset til offline-gjengivelse på grunn av dens beregningsintensive krav, blir nå stadig mer tilgjengelig i sanntidsmiljøer, takket være fremskritt innen maskinvare og APIer som WebGL. Denne artikkelen dykker ned i den fascinerende verdenen av WebGL raytracing global illuminasjon, og utforsker hvordan man kan oppnå fysisk nøyaktig belysning i webapplikasjoner.

Forstå global illuminasjon

Global illuminasjon (GI) refererer til et sett med gjengivelsesteknikker som simulerer måten lys spretter rundt i en scene, og skaper en mer realistisk og engasjerende visuell opplevelse. I motsetning til direkte belysning, som bare tar hensyn til lyskilder som direkte belyser overflater, tar GI hensyn til indirekte belysning – lys som reflekteres, brytes eller spres fra andre overflater i miljøet. Dette inkluderer effekter som:

• Diffus interrefleksjon: Lys som spretter mellom diffuse overflater, noe som resulterer i fargeblødning og subtil omgivelsesbelysning. Tenk deg en rød vegg som kaster et svakt rødt skjær på et nærliggende hvitt gulv.
• Spekulær refleksjon: Nøyaktige refleksjoner av lyskilder og omgivelsene på skinnende overflater. Tenk på refleksjonen av et vindu i en polert metallkule.
• Brytning (Refraksjon): Lys som bøyer seg når det passerer gjennom transparente materialer, og skaper realistiske forvrengninger og kaustikker. Tenk på hvordan et glass vann bøyer lys, og skaper mønstre på overflaten under.
• Subsurface Scattering (SSS): Lys som trenger inn i gjennomskinnelige materialer og sprer seg internt før det kommer ut, noe som resulterer i et mykt, opplyst utseende. Eksempler inkluderer hud, marmor og melk.

Å oppnå realistisk global illuminasjon forbedrer den visuelle kvaliteten til 3D-scener betydelig, og gjør dem mer troverdige og engasjerende. Imidlertid er simulering av disse effektene nøyaktig beregningsintensiv.

Strålesporing (Raytracing): En vei til realistisk belysning

Strålesporing er en gjengivelsesteknikk som simulerer lysets oppførsel ved å spore stråler fra kameraet (eller øyet) gjennom hver piksel i bildet og inn i scenen. Når en stråle treffer en overflate, bestemmer strålesporeren fargen og lysstyrken til det punktet ved å vurdere belysningseffektene på det stedet. Denne prosessen kan gjentas rekursivt for å simulere refleksjoner, brytninger og andre komplekse lysinteraksjoner.

Tradisjonell rasteriseringsbasert gjengivelse, den dominerende metoden innen sanntidsgrafikk i mange år, tilnærmer global illuminasjon gjennom teknikker som omgivelsesokklusjon, skjermbaserte refleksjoner og lysprober. Selv om disse metodene kan produsere visuelt tiltalende resultater, mangler de ofte strålesporingens nøyaktighet og fysiske korrekthet.

Strålesporing, derimot, håndterer global illuminasjonseffekter naturlig ved å følge lysstrålenes veier når de interagerer med scenen. Dette muliggjør nøyaktig simulering av refleksjoner, brytninger og andre komplekse lystransportfenomener.

WebGL og Strålesporing: Et voksende landskap

WebGL (Web Graphics Library) er et JavaScript API for gjengivelse av interaktiv 2D- og 3D-grafikk i enhver kompatibel nettleser uten bruk av tilleggsprogrammer. Det utnytter den underliggende grafikkprosessoren (GPU) for å akselerere gjengivelsesytelsen. Tradisjonelt har WebGL vært assosiert med rasteriseringsbasert gjengivelse.

Imidlertid åpner nylige fremskritt i WebGL, spesielt med introduksjonen av WebGL 2 og utvidelser som GL_EXT_ray_tracing og WEBGL_gpu_acceleration, for muligheter til å inkludere strålesporingsteknikker i webapplikasjoner. Disse utvidelsene gir tilgang til GPU-akselerert strålesporingsfunksjonalitet, noe som gjør det mulig for utviklere å skape mer realistiske og visuelt imponerende webbaserte opplevelser.

Flere tilnærminger finnes for å implementere strålesporing i WebGL:

• Compute Shaders: Compute shaders tillater generelle beregninger på GPUen. Strålesporingsalgoritmer kan implementeres ved hjelp av compute shaders, som utfører stråle-scene-kryssingstester og beregner belysningseffekter. Denne tilnærmingen krever mer manuell implementering, men tilbyr fleksibilitet og kontroll.
• Maskinvareakselerert strålesporingsutvidelser: Utvidelser som GL_EXT_ray_tracing gir direkte tilgang til maskinvarebaserte strålesporingsfunksjoner, hvis tilgjengelig på brukerens enhet. Denne tilnærmingen kan forbedre ytelsen betydelig sammenlignet med implementeringer basert på compute shaders. Imidlertid er den avhengig av tilgjengeligheten av spesifikk maskinvare og driverstøtte.
• WebGPU: WebGPU er en etterfølger til WebGL, designet for å gi et mer moderne og effektivt API for tilgang til GPU-funksjoner. WebGPU har innebygd støtte for strålesporing, noe som gjør det til en lovende plattform for fremtidige webbaserte strålesporingsapplikasjoner.

Implementering av WebGL Raytracing Global Illumination

Implementering av WebGL raytracing global illuminasjon er en kompleks oppgave som krever en solid forståelse av datagrafikkprinsipper, strålesporingsalgoritmer og WebGL-programmering.

Her er en forenklet oversikt over de typiske trinnene:

1. Scenerepresentasjon: Representer 3D-scenen ved hjelp av datastrukturer som er effektive for stråle-scene-kryssingstester. Vanlige datastrukturer inkluderer avgrensende volumhierarkier (BVH-er) og k-d-trær. Disse strukturene bidrar til å akselerere strålesporingsprosessen ved raskt å forkaste store deler av scenen som sannsynligvis ikke vil bli krysset av en gitt stråle.
2. Strålegenerering: Generer stråler fra kameraet gjennom hver piksel i bildet. Retningen til hver stråle bestemmes av kameraets posisjon, orientering og synsfelt.
3. Stråle-scene-kryssing: For hver stråle, utfør kryssingstester mot alle objekter i scenen. Dette innebærer å bestemme om strålen krysser hvert objekt, og i så fall beregne kryssingspunktet.
4. Shading (Fargelegging): På kryssingspunktet, beregn overflatens farge og lysstyrke basert på belysningsmodellen. Dette innebærer å vurdere direkte belysning fra lyskilder, samt indirekte belysning fra globale illuminasjonseffekter.
5. Global illuminasjonsprøvetaking: For global illuminasjon, send ut ytterligere stråler fra kryssingspunktet for å prøve ut omgivelsene. Disse strålene brukes til å estimere mengden lys som når punktet fra andre overflater i scenen. Teknikker som path tracing, Monte Carlo-integrasjon og importance sampling brukes ofte for å effektivt prøve lystransporten.
6. Rekursiv strålesporing: Gjenta trinn 3-5 rekursivt for refleksjons- og brytningsstråler, og spor lysets veier mens det spretter rundt i scenen. Rekursjonsdybden er vanligvis begrenset for å unngå overdreven beregning.
7. Utdata: Send den endelige fargen for hver piksel til WebGL-lerretet.

Path Tracing: En kraftig GI-teknikk

Path tracing er en Monte Carlo strålesporingsalgoritme som simulerer global illuminasjon ved å spore tilfeldige lysbaner gjennom scenen. Det er en konseptuelt enkel, men kraftig teknikk som kan produsere svært realistiske resultater.

I path tracing spores stråler ikke bare fra kameraet, men også fra lyskildene. Disse strålene spretter rundt i scenen, interagerer med overflater, helt til de til slutt når kameraet. Fargen på hver piksel bestemmes deretter ved å ta gjennomsnittet av bidragene fra alle lysbanene som når kameraet gjennom den pikselen.

Path tracing er i sin natur en Monte Carlo-metode, noe som betyr at den er avhengig av tilfeldig prøvetaking for å estimere lystransporten. Dette kan resultere i støyende bilder, spesielt med et lite antall prøver. Imidlertid kan støyen reduseres ved å øke antall prøver per piksel. Progressive gjengivelsesteknikker, der bildet gradvis forbedres over tid etter hvert som flere prøver akkumuleres, brukes ofte for å forbedre brukeropplevelsen.

Eksempel: Implementering av diffus global illuminasjon med Path Tracing

La oss vurdere et forenklet eksempel på implementering av diffus global illuminasjon ved hjelp av path tracing i WebGL. Dette eksemplet fokuserer på kjernekonseptet med å spore stråler for å samle inn indirekte belysningsinformasjon.

Fragment Shader (Forenklet):

            #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
              
            
          

Forklaring:

• Verdensposisjon og Normal: Dette er interpolerte vertex-attributter som sendes fra vertex-shaderen.
• Lyskildeposisjon og Kameraposisjon: Uniform-variabler som representerer posisjonene til lyskilden og kameraet.
• Tilfeldig tallgenerator: En enkel lineær kongruentiell generator (LCG) brukes til å generere pseudo-tilfeldige tall for retningsprøvetaking. En bedre RNG bør brukes i produksjon.
• Tilfeldig retning: Genererer en tilfeldig retning på halvkulen rundt normalvektoren. Dette brukes til å prøve det innkommende lyset fra forskjellige retninger.
• Direkte belysning: Beregner den diffuse komponenten av direkte belysning ved hjelp av prikkproduktet av normalen og lysretningen.
• Indirekte belysning (Path Tracing):
  • En løkke itererer et spesifisert antall ganger (numSamples).
  • I hver iterasjon genereres en tilfeldig retning ved hjelp av randomDirection-funksjonen.
  • Forenklet sceneprøvetaking: I dette forenklede eksemplet antar vi en konstant farge for den indirekte belysningen. I en reell implementasjon ville du spore en stråle i randomDir-retningen og prøve fargen på objektet som strålen treffer. Dette innebærer rekursiv strålesporing, som ikke er vist i dette forenklede eksemplet.
  • Det indirekte lysbidraget akkumuleres og deles deretter på antall prøver for å oppnå et gjennomsnitt.
• Endelig farge: Den endelige fargen beregnes ved å legge sammen de direkte og indirekte belysningskomponentene.

Viktige merknader:

• Dette er et svært forenklet eksempel. En komplett path tracer krever mer sofistikerte teknikker for stråle-scene-kryssing, materialevaluering og variansreduksjon.
• Scenedata: Dette eksemplet antar at scenegeometrien og materialegenskapene allerede er lastet og tilgjengelige i shaderen.
• Strålesporingsimplementering: Selve strålesporingsdelen (sporing av stråler og finne kryssingspunkter) er ikke eksplisitt vist i dette eksemplet. Det antas å bli håndtert av en annen del av koden, for eksempel ved bruk av compute shaders eller maskinvarebaserte strålesporingsutvidelser. Eksemplet fokuserer på fargeleggingsaspektet etter at en stråle har krysset en overflate.
• Støy: Path tracing produserer ofte støyende bilder, spesielt med et lite antall prøver. Teknikker for variansreduksjon, som importance sampling og stratified sampling, kan brukes for å redusere støyen.

Fysisk basert gjengivelse (PBR)

Fysisk basert gjengivelse (PBR) er en gjengivelsestilnærming som har som mål å simulere samspillet mellom lys og materialer på en fysisk nøyaktig måte. PBR-materialer defineres av parametere som tilsvarer virkelige fysiske egenskaper, for eksempel:

• Grunnfarge (Albedo): Materialets egenfarge.
• Metallisk: Indikerer om materialet er metallisk eller ikke-metallisk.
• Ruhet: Beskriver overflatens ruhet, som påvirker mengden spekulær refleksjon. En ru overflate vil spre lys mer diffust, mens en glatt overflate vil produsere skarpere refleksjoner.
• Spekulær: Kontrollerer intensiteten av den spekulære refleksjonen.
• Normal Map: En tekstur som lagrer normalvektorer, noe som muliggjør simulering av detaljert overflategeometri uten faktisk å øke antall polygoner.

Ved å bruke PBR-materialer kan du skape mer realistiske og konsistente belysningseffekter på tvers av forskjellige miljøer. Når det kombineres med globale illuminasjonsteknikker, kan PBR produsere eksepsjonelt realistiske resultater.

Integrering av PBR med WebGL Raytracing GI

For å integrere PBR med WebGL raytracing global illuminasjon, må du bruke PBR-materialegenskaper i fargeleggingsberegningene innenfor strålesporingsalgoritmen.

Dette innebærer:

• Evaluering av BRDF: Den toveis reflektansfordelingsfunksjonen (BRDF) beskriver hvordan lys reflekteres fra en overflate på et gitt punkt. PBR-materialer bruker spesifikke BRDF-er som er basert på fysiske prinsipper, for eksempel Cook-Torrance BRDF.
• Prøvetaking av miljøet: Når du beregner global illuminasjon, må du prøve omgivelsene for å estimere mengden lys som når overflaten. Dette kan gjøres ved hjelp av miljøkart eller ved å spore stråler for å prøve scenen direkte.
• Anvendelse av energibevarelse: PBR-materialer er energibesparende, noe som betyr at den totale mengden lys som reflekteres fra en overflate, ikke kan overstige mengden lys som faller inn på den. Denne begrensningen bidrar til å sikre at belysningen ser realistisk ut.

Cook-Torrance BRDF er et populært valg for PBR-gjengivelse fordi det er relativt enkelt å implementere og gir realistiske resultater. Det består av tre hovedkomponenter:

• Diffus term: Representerer lyset som spres diffust fra overflaten. Dette beregnes vanligvis ved hjelp av Lamberts cosinuslov.
• Spekulær term: Representerer lyset som reflekteres spekulært fra overflaten. Denne komponenten beregnes ved hjelp av en mikrofasetmodell, som antar at overflaten er sammensatt av små, perfekt reflekterende mikrofasetter.
• Geometrifunksjon: Tar hensyn til maskering og skyggelegging av mikrofasetter.
• Fresnel-term: Beskriver mengden lys som reflekteres fra overflaten i forskjellige vinkler.
• Distribusjonsfunksjon: Beskriver fordelingen av mikrofacetnormaler.

Ytelseshensyn

Strålesporing, spesielt med global illuminasjon, er beregningskrevende. Å oppnå sanntidsytelse i WebGL krever nøye optimalisering og hensyn til maskinvarens kapasitet.

Her er noen sentrale ytelsesoptimaliseringsteknikker:

• Avgrensende volumhierarkier (BVH-er): Bruk BVH-er eller andre romlige akselerasjonsstrukturer for å redusere antall stråle-scene-kryssingstester.
• Strålebatching: Behandle stråler i grupper for å forbedre GPU-utnyttelsen.
• Adaptiv prøvetaking: Bruk adaptive prøvetakingsteknikker for å fokusere beregningsressurser på områder av bildet som krever flere prøver.
• Støyreduksjon (Denoising): Anvend støyreduksjonsalgoritmer for å redusere støy i de gjengitte bildene, noe som tillater færre prøver per piksel. Temporal akkumulering kan også bidra til å fjerne støy fra det endelige bildet.
• Maskinvareakselerasjon: Utnytt maskinvarebaserte strålesporingsutvidelser når de er tilgjengelige.
• Lavere oppløsning: Gjengi med lavere oppløsning og oppskaler bildet for å forbedre ytelsen.
• Progressiv gjengivelse: Bruk progressiv gjengivelse for raskt å vise et innledende bilde av lav kvalitet og deretter gradvis forbedre det over tid.
• Optimaliser shaders: Optimaliser shaderkoden nøye for å redusere beregningskostnadene for fargeleggingsberegninger.

Utfordringer og fremtidige retninger

Selv om WebGL raytracing global illuminasjon har et enormt potensial, gjenstår flere utfordringer:

• Maskinvarekrav: Strålesporingsytelsen avhenger sterkt av den underliggende maskinvaren. Ikke alle enheter støtter maskinvarebasert strålesporing, og ytelsen kan variere betydelig på tvers av forskjellige GPU-er.
• Kompleksitet: Implementering av strålesporingsalgoritmer og integrering av dem med eksisterende WebGL-applikasjoner kan være komplekst og tidkrevende.
• Ytelsesoptimalisering: Å oppnå sanntidsytelse krever betydelig innsats innen optimalisering og nøye vurdering av maskinvarebegrensninger.
• Nettleserstøtte: Konsekvent nettleserstøtte for strålesporingsutvidelser er avgjørende for utbredt adopsjon.

Til tross for disse utfordringene ser fremtiden for WebGL strålesporing lovende ut. Etter hvert som maskinvare og programvare fortsetter å utvikle seg, kan vi forvente å se mer sofistikerte og ytelsessterke strålesporingsteknikker bli integrert i webapplikasjoner. WebGPU vil sannsynligvis spille en stor rolle i å gjøre dette mulig.

Fremtidig forskning og utvikling på dette området kan fokusere på:

• Forbedrede strålesporingsalgoritmer: Utvikling av mer effektive og robuste strålesporingsalgoritmer som er godt egnet for webbaserte miljøer.
• Avanserte støyreduksjonsteknikker: Å skape mer effektive støyreduksjonsalgoritmer som kan redusere støy i strålesporede bilder med minimal ytelsespåvirkning.
• Automatisk optimalisering: Utvikling av verktøy og teknikker for automatisk optimalisering av strålesporingsytelse basert på maskinvarekapasitet og scene-kompleksitet.
• Integrasjon med AI: Utnytte AI og maskinlæring for å forbedre strålesporingsytelse og kvalitet, for eksempel ved å bruke AI til å akselerere støyreduksjon eller til intelligent å prøve scenen.

Konklusjon

WebGL raytracing global illuminasjon representerer et betydelig skritt mot å oppnå fysisk nøyaktig belysning i webapplikasjoner. Ved å utnytte kraften i strålesporing og PBR, kan utviklere skape mer realistiske og engasjerende 3D-opplevelser som en gang bare var mulig i offline-gjengivelsesmiljøer. Selv om utfordringer gjenstår, baner de pågående fremskrittene innen maskinvare og programvare vei for en fremtid der sanntids strålesporing blir en standardfunksjon i webgrafikk. Etter hvert som teknologien modnes, kan vi forvente en ny bølge av visuelt imponerende og interaktive webapplikasjoner som visker ut skillet mellom virtuelle og virkelige verdener. Fra interaktive produktkonfiguratorer og arkitektoniske visualiseringer til oppslukende spillopplevelser og virtuell virkelighet-applikasjoner, har WebGL raytracing global illuminasjon potensial til å revolusjonere måten vi samhandler med 3D-innhold på nettet.