Rozszerzenia Ray Tracingu w WebGL: Uwolnienie sprzętowo akcelerowanego Ray Tracingu w Internecie

Przez lata ray tracing był świętym Graalem grafiki komputerowej, obiecując fotorealistyczne obrazy z dokładnym oświetleniem, odbiciami i cieniami. Chociaż tradycyjnie zarezerwowany dla renderowania offline ze względu na swoją intensywność obliczeniową, ostatnie postępy w dziedzinie sprzętu uczyniły ray tracing w czasie rzeczywistym rzeczywistością. Teraz, wraz z pojawieniem się rozszerzeń ray tracingu w WebGL, ta potężna technologia jest gotowa zrewolucjonizować grafikę internetową.

Czym jest Ray Tracing?

Ray tracing to technika renderowania, która symuluje sposób, w jaki światło oddziałuje z obiektami w scenie. Zamiast rasteryzować wielokąty, ray tracing śledzi ścieżkę promieni światła od kamery, przechodząc przez scenę, aż do przecięcia z obiektami. Obliczając kolor i intensywność każdego promienia, ray tracing tworzy obrazy z realistycznym oświetleniem, odbiciami i cieniami.

W przeciwieństwie do rasteryzacji, która przybliża te efekty, ray tracing zapewnia bardziej fizycznie dokładną reprezentację transportu światła, co skutkuje oszałamiającą oprawą wizualną. Jednak ta dokładność wiąże się ze znacznym kosztem obliczeniowym, co czyni ray tracing w czasie rzeczywistym trudnym zadaniem.

Wzrost znaczenia sprzętowo akcelerowanego Ray Tracingu

Aby przezwyciężyć ograniczenia obliczeniowe tradycyjnego ray tracingu, producenci kart graficznych opracowali dedykowany sprzęt do przyspieszania obliczeń związanych z ray tracingiem. Technologie takie jak RTX firmy NVIDIA i seria Radeon RX firmy AMD zawierają wyspecjalizowane rdzenie do ray tracingu, które znacznie zwiększają wydajność, umożliwiając ray tracing w czasie rzeczywistym.

Te postępy sprzętowe utorowały drogę nowym technikom renderowania, które wykorzystują ray tracing do osiągnięcia bezprecedensowego poziomu realizmu. Gry, symulacje i inne aplikacje zawierają teraz odbicia, cienie i globalne oświetlenie generowane za pomocą ray tracingu, tworząc wciągające i oszałamiające wizualnie doświadczenia.

Rozszerzenia Ray Tracingu w WebGL: Wprowadzenie Ray Tracingu do Internetu

WebGL, standardowe API do renderowania interaktywnej grafiki 2D i 3D w przeglądarkach internetowych, tradycyjnie opierało się na rasteryzacji. Jednak wraz z wprowadzeniem rozszerzeń ray tracingu, WebGL jest teraz w stanie wykorzystać moc sprzętowo akcelerowanego ray tracingu. Otwiera to świat możliwości dla grafiki internetowej, umożliwiając deweloperom tworzenie bardziej realistycznych i wciągających doświadczeń bezpośrednio w przeglądarce.

Te rozszerzenia zapewniają mechanizm dostępu do bazowego sprzętu do ray tracingu za pośrednictwem JavaScript i GLSL (OpenGL Shading Language), języka cieniowania używanego przez WebGL. Wykorzystując te rozszerzenia, deweloperzy mogą zintegrować ray tracing ze swoimi aplikacjami internetowymi, korzystając z zalet wydajności dedykowanego sprzętu do ray tracingu.

Kluczowe rozszerzenia Ray Tracingu w WebGL:

• GL_EXT_ray_tracing: To podstawowe rozszerzenie stanowi fundament dla ray tracingu w WebGL, definiując fundamentalne funkcje i struktury danych. Umożliwia deweloperom tworzenie struktur akceleracyjnych, wysyłanie promieni i dostęp do wyników ray tracingu.
• GL_EXT_acceleration_structure: To rozszerzenie definiuje struktury akceleracyjne, które są hierarchicznymi strukturami danych używanymi do wydajnego przecinania promieni z geometrią sceny. Budowanie i zarządzanie strukturami akceleracyjnymi jest kluczowym krokiem w ray tracingu, ponieważ znacząco wpływa na wydajność.
• GL_EXT_ray_query: To rozszerzenie zapewnia mechanizm do odpytywania o wyniki ray tracingu, takie jak odległość do trafienia, geometria trafienia i normalna powierzchni w punkcie przecięcia. Informacje te są niezbędne do obliczeń cieniowania i oświetlenia.

Zalety Ray Tracingu w WebGL

Wprowadzenie rozszerzeń ray tracingu do WebGL oferuje kilka znaczących korzyści:

• Poprawiona jakość wizualna: Ray tracing umożliwia bardziej realistyczne renderowanie odbić, cieni i globalnego oświetlenia, co prowadzi do oszałamiających wizualnie i wciągających doświadczeń internetowych.
• Lepsza wydajność: Sprzętowo akcelerowany ray tracing zapewnia znaczny wzrost wydajności w porównaniu z tradycyjnymi technikami opartymi na rasteryzacji, pozwalając na tworzenie bardziej złożonych i szczegółowych scen.
• Nowe możliwości twórcze: Ray tracing otwiera nowe możliwości twórcze dla deweloperów internetowych, umożliwiając im tworzenie innowacyjnych i wizualnie atrakcyjnych aplikacji, które wcześniej były niemożliwe.
• Kompatybilność międzyplatformowa: WebGL jest API międzyplatformowym, co oznacza, że aplikacje ray tracingowe opracowane przy użyciu WebGL będą działać na każdym urządzeniu z kompatybilną przeglądarką i sprzętem.
• Dostępność: WebGL zapewnia wygodną i dostępną platformę do wdrażania aplikacji ray tracingowych, ponieważ użytkownicy mogą po prostu uzyskać do nich dostęp za pośrednictwem przeglądarki internetowej bez potrzeby instalowania dodatkowego oprogramowania.

Przypadki użycia Ray Tracingu w WebGL

Ray tracing w WebGL ma szeroki zakres potencjalnych zastosowań w różnych branżach:

• Gry: Ray tracing może podnieść wierność wizualną gier internetowych, tworząc bardziej wciągające i realistyczne doświadczenia gamingowe. Wyobraź sobie grę typu first-person shooter z odbiciami i cieniami generowanymi przez ray tracing lub eksplorację wirtualnego świata z realistycznym globalnym oświetleniem.
• Wizualizacja produktów: Ray tracing może być używany do tworzenia realistycznych renderingów produktów, pozwalając klientom na szczegółowe ich obejrzenie przed dokonaniem zakupu. Na przykład, sprzedawca mebli mógłby użyć ray tracingu do zaprezentowania tekstur i oświetlenia swoich produktów w wirtualnym salonie.
• Wizualizacja architektoniczna: Architekci mogą używać ray tracingu do tworzenia realistycznych wizualizacji budynków i wnętrz, pozwalając klientom na szczegółowe zapoznanie się z ich projektami. Może to pomóc klientom lepiej zrozumieć projekt i podjąć świadome decyzje. Wyobraź sobie eksplorację wirtualnego modelu budynku z realistycznym oświetleniem i odbiciami, co pozwala doświadczyć przestrzeni, zanim zostanie ona zbudowana.
• Rzeczywistość wirtualna (VR) i rozszerzona (AR): Ray tracing może zwiększyć realizm doświadczeń VR i AR, tworząc bardziej wciągające i angażujące środowiska. Na przykład, ray tracing mógłby być użyty do tworzenia realistycznych cieni i odbić w grze VR lub do dokładnego nakładania wirtualnych obiektów na rzeczywisty świat w aplikacji AR.
• Wizualizacja naukowa: Ray tracing może być używany do wizualizacji złożonych danych naukowych, takich jak symulacje dynamiki płynów lub struktur molekularnych. Może to pomóc naukowcom lepiej zrozumieć ich dane i dokonywać nowych odkryć.
• Edukacja: Ray tracing może być używany do tworzenia interaktywnych symulacji edukacyjnych, pozwalając studentom na eksplorację złożonych koncepcji w wizualnie angażujący sposób. Na przykład, symulacja fizyczna mogłaby używać ray tracingu do dokładnego symulowania zachowania światła, pozwalając studentom na wizualizację zasad optyki.

Aspekty techniczne

Chociaż ray tracing w WebGL oferuje wiele korzyści, istnieje również kilka kwestii technicznych, o których należy pamiętać:

• Wymagania sprzętowe: Ray tracing wymaga dedykowanego sprzętu, takiego jak procesory graficzne NVIDIA RTX lub AMD Radeon RX. Aplikacje używające ray tracingu nie będą działać lub będą działać słabo na systemach bez tego sprzętu.
• Optymalizacja wydajności: Ray tracing może być intensywny obliczeniowo, dlatego ważne jest, aby zoptymalizować scenę i kod ray tracingu w celu osiągnięcia dobrej wydajności. Może to obejmować stosowanie technik takich jak poziom szczegółowości (LOD) i adaptacyjne próbkowanie.
• Zarządzanie strukturą akceleracyjną: Budowanie i zarządzanie strukturami akceleracyjnymi ma kluczowe znaczenie dla wydajności ray tracingu. Deweloperzy muszą starannie rozważyć wybór struktury akceleracyjnej i strategię jej aktualizacji w miarę zmian w scenie.
• Złożoność shaderów: Shadery ray tracingowe mogą być złożone i wymagają dobrego zrozumienia GLSL oraz algorytmów ray tracingu. Deweloperzy mogą potrzebować nauczyć się nowych technik pisania wydajnych i skutecznych shaderów do ray tracingu.
• Debugowanie: Debugowanie kodu ray tracingowego może być trudne, ponieważ polega na śledzeniu ścieżek poszczególnych promieni. Deweloperzy mogą potrzebować specjalistycznych narzędzi do debugowania, aby identyfikować i naprawiać błędy.

Przykład: Implementacja odbić generowanych przez Ray Tracing w WebGL

Rozważmy uproszczony przykład implementacji odbić generowanych przez ray tracing w WebGL przy użyciu rozszerzeń ray tracingu. Ten przykład zakłada, że masz skonfigurowaną podstawową scenę WebGL z kamerą, grafem sceny i systemem materiałów.

1. Utwórz strukturę akceleracyjną:

   Najpierw musisz utworzyć strukturę akceleracyjną, która reprezentuje geometrię sceny. Można to zrobić za pomocą rozszerzenia GL_EXT_acceleration_structure. Struktura akceleracyjna będzie używana do wydajnego przecinania promieni ze sceną.

2. Napisz Ray Generation Shader:

   Następnie musisz napisać shader generujący promienie (ray generation shader), który będzie wysyłał promienie z kamery. Ten shader będzie iterował po pikselach na ekranie i generował promień dla każdego piksela.

   Oto uproszczony przykład shadera generującego promienie:

               #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. Napisz Closest Hit Shader:

   Musisz także napisać shader najbliższego trafienia (closest hit shader), który zostanie wykonany, gdy promień przetnie obiekt. Ten shader obliczy kolor obiektu w punkcie przecięcia i zwróci go jako wartość trafienia.

   Oto uproszczony przykład shadera najbliższego trafienia:

               #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. Uruchom potok Ray Tracingu:

   Na koniec musisz uruchomić potok ray tracingu. Polega to na powiązaniu struktury akceleracyjnej, shadera generującego promienie i shadera najbliższego trafienia, a następnie na uruchomieniu obliczeń ray tracingu.

5. Zaimplementuj odbicia:

   W shaderze najbliższego trafienia, zamiast po prostu zwracać kolor powierzchni, oblicz wektor odbicia. Następnie wyślij nowy promień w kierunku odbicia, aby określić kolor odbitego obiektu. Wymaga to rekurencyjnego wywoływania potoku ray tracingu (w granicach, aby uniknąć nieskończonych pętli) lub użycia osobnego przejścia dla odbić. Ostateczny kolor będzie kombinacją koloru powierzchni i koloru odbitego.

   To jest uproszczony przykład, a implementacja w świecie rzeczywistym wymagałaby bardziej złożonych obliczeń, takich jak obsługa wielokrotnych odbić, próbkowanie różnych źródeł światła i stosowanie antyaliasingu. Pamiętaj, aby mieć na uwadze wydajność, ponieważ ray tracing może być kosztowny obliczeniowo.

Przyszłość Ray Tracingu w WebGL

Ray tracing w WebGL jest wciąż na wczesnym etapie rozwoju, ale ma potencjał, by przekształcić grafikę internetową. W miarę jak sprzętowo akcelerowany ray tracing stanie się bardziej powszechnie dostępny, możemy spodziewać się coraz większej liczby aplikacji internetowych wykorzystujących tę technologię. Doprowadzi to do bardziej realistycznych i wciągających doświadczeń internetowych w szerokim zakresie branż.

Co więcej, ciągłe prace rozwojowe i standaryzacyjne w ramach Grupy Khronos, organizacji odpowiedzialnej za WebGL, prawdopodobnie doprowadzą do dalszych ulepszeń w API i zwiększonej adopcji przez producentów przeglądarek. To sprawi, że ray tracing stanie się bardziej dostępny dla deweloperów internetowych i przyspieszy wzrost ekosystemu ray tracingu w WebGL.

Przyszłość ray tracingu w WebGL rysuje się w jasnych barwach i możemy spodziewać się jeszcze bardziej ekscytujących zmian w nadchodzących latach. W miarę dojrzewania technologii, otworzy ona nowe możliwości dla grafiki internetowej i stworzy nową generację wciągających i oszałamiających wizualnie doświadczeń.

Globalny wpływ i dostępność

Pojawienie się ray tracingu w WebGL ma potencjał, by znacząco wpłynąć na globalną dostępność wysokiej jakości grafiki. Tradycyjne, zaawansowane aplikacje graficzne często wymagają specjalistycznego sprzętu i oprogramowania, ograniczając ich dostępność do osób i organizacji dysponujących odpowiednimi zasobami.

WebGL, będąc technologią internetową, oferuje bardziej zdemokratyzowane podejście. Dopóki użytkownicy mają dostęp do kompatybilnej przeglądarki i sprzętu (coraz powszechniejszego wraz z adopcją zintegrowanych kart graficznych obsługujących ray tracing), mogą doświadczać tych zaawansowanych możliwości graficznych. Jest to szczególnie korzystne w regionach o ograniczonym dostępie do zaawansowanego sprzętu lub tam, gdzie licencje na specjalistyczne oprogramowanie są zbyt kosztowne.

Co więcej, międzyplatformowy charakter WebGL zapewnia, że aplikacje mogą działać na szerokiej gamie urządzeń, od komputerów stacjonarnych i laptopów po telefony komórkowe i tablety. To dodatkowo poszerza zasięg technologii ray tracingu, czyniąc ją dostępną dla szerszej, globalnej publiczności.

Należy jednak pamiętać o potencjalnej przepaści cyfrowej opartej na możliwościach sprzętowych. Chociaż sprzęt obsługujący ray tracing staje się coraz bardziej powszechny, wciąż nie jest dostępny uniwersalnie. Deweloperzy powinni dążyć do tworzenia aplikacji skalowalnych, które mogą dostosowywać się do różnych konfiguracji sprzętowych, zapewniając, że użytkownicy z mniej wydajnymi urządzeniami nadal będą mieli pozytywne doświadczenia.

Podsumowanie

Rozszerzenia ray tracingu w WebGL stanowią znaczący krok naprzód w ewolucji grafiki internetowej. Wprowadzając sprzętowo akcelerowany ray tracing do przeglądarek internetowych, rozszerzenia te otwierają świat możliwości tworzenia bardziej realistycznych, wciągających i immersyjnych doświadczeń. Chociaż istnieją kwestie techniczne, o których należy pamiętać, korzyści płynące z ray tracingu w WebGL są niezaprzeczalne i możemy spodziewać się, że będzie on odgrywał coraz ważniejszą rolę w przyszłości internetu.

W miarę jak technologia będzie dojrzewać i stawać się coraz bardziej popularna, umożliwi ona deweloperom internetowym tworzenie innowacyjnych i oszałamiających wizualnie aplikacji, które wcześniej były niewyobrażalne. Przyszłość grafiki internetowej jest świetlana, a ray tracing w WebGL ma stać się kluczowym motorem tej ewolucji.