Ray Tracing em WebGL: Rastreamento de Raios em Tempo Real com Compute Shaders em WebGL

O ray tracing, uma técnica de renderização conhecida pelas suas imagens fotorrealistas, tem sido tradicionalmente computacionalmente intensivo e reservado para processos de renderização offline. No entanto, os avanços na tecnologia de GPU e a introdução de compute shaders abriram a porta para o ray tracing em tempo real dentro do WebGL, trazendo gráficos de alta fidelidade para aplicações baseadas na web. Este artigo fornece um guia abrangente para a implementação de ray tracing em tempo real usando compute shaders em WebGL, visando um público global de desenvolvedores interessados em expandir os limites dos gráficos na web.

O que é Ray Tracing?

O ray tracing simula a forma como a luz viaja no mundo real. Em vez de rasterizar polígonos, o ray tracing lança raios da câmara (ou olho) através de cada pixel no ecrã e para dentro da cena. Estes raios intersetam objetos e, com base nas propriedades do material desses objetos, a cor do pixel é determinada calculando como a luz reflete e interage com a superfície. Este processo pode incluir reflexos, refrações e sombras, resultando em imagens altamente realistas.

Conceitos Chave em Ray Tracing:

• Lançamento de Raios (Ray Casting): O processo de disparar raios da câmara para a cena.
• Testes de Interseção: Determinar onde um raio interseta objetos na cena.
• Normais de Superfície: Vetores perpendiculares à superfície no ponto de interseção, usados para calcular reflexão e refração.
• Propriedades do Material: Definem como uma superfície interage com a luz (ex: cor, refletividade, rugosidade).
• Raios de Sombra: Raios lançados do ponto de interseção para fontes de luz para determinar se o ponto está na sombra.
• Raios de Reflexão e Refração: Raios lançados do ponto de interseção para simular reflexões e refrações.

Porquê WebGL e Compute Shaders?

O WebGL fornece uma API multiplataforma para renderizar gráficos 2D e 3D num navegador web sem o uso de plug-ins. Os compute shaders, introduzidos com o WebGL 2.0, permitem computação de propósito geral na GPU. Isso permite-nos aproveitar o poder de processamento paralelo da GPU para realizar cálculos de ray tracing de forma eficiente.

Vantagens de Usar WebGL para Ray Tracing:

• Compatibilidade Multiplataforma: O WebGL funciona em qualquer navegador web moderno, independentemente do sistema operativo.
• Aceleração por Hardware: Aproveita a GPU para uma renderização rápida.
• Sem Necessidade de Plugins: Elimina a necessidade de os utilizadores instalarem software adicional.
• Acessibilidade: Torna o ray tracing acessível a um público mais vasto através da web.

Vantagens de Usar Compute Shaders:

• Processamento Paralelo: Explora a arquitetura massivamente paralela das GPUs para cálculos eficientes de ray tracing.
• Flexibilidade: Permite algoritmos personalizados e otimizações adaptadas ao ray tracing.
• Acesso Direto à GPU: Contorna o pipeline de renderização tradicional para um maior controlo.

Visão Geral da Implementação

A implementação de ray tracing em WebGL usando compute shaders envolve vários passos chave:

1. Configurar o Contexto WebGL: Criar um contexto WebGL e ativar as extensões necessárias (WebGL 2.0 é obrigatório).
2. Criar Compute Shaders: Escrever código GLSL para o compute shader que realiza os cálculos de ray tracing.
3. Criar Shader Storage Buffer Objects (SSBOs): Alocar memória na GPU para armazenar dados da cena, dados dos raios e a imagem final.
4. Despachar o Compute Shader: Lançar o compute shader para processar os dados.
5. Ler os Resultados: Recuperar a imagem renderizada do SSBO e exibi-la no ecrã.

Passos Detalhados da Implementação

1. Configurar o Contexto WebGL

O primeiro passo é criar um contexto WebGL 2.0. Isso envolve obter um elemento canvas do HTML e, em seguida, solicitar um WebGL2RenderingContext. O tratamento de erros é crucial para garantir que o contexto seja criado com sucesso.

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

if (!gl) {
  console.error('WebGL 2.0 não é suportado.');
}
            

              
                Copy
              
            
          

2. Criar Compute Shaders

O núcleo do ray tracer é o compute shader, escrito em GLSL. Este shader será responsável por lançar raios, realizar testes de interseção e calcular a cor de cada pixel. O compute shader operará numa grelha de workgroups, cada um processando uma pequena região da imagem.

Aqui está um exemplo simplificado de um compute shader que calcula uma cor básica com base nas coordenadas do pixel:

            #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
              
            
          

Este shader define um tamanho de workgroup de 8x8, um buffer de saída chamado `pixels` e uma variável uniforme para a resolução do ecrã. Cada item de trabalho (pixel) calcula a sua cor com base na sua posição e escreve-a no buffer de saída.

3. Criar Shader Storage Buffer Objects (SSBOs)

Os SSBOs são usados para armazenar dados que são partilhados entre a CPU e a GPU. Neste caso, usaremos SSBOs para armazenar os dados da cena (ex: vértices de triângulos, propriedades de materiais), dados de raios e a imagem final renderizada. Crie o SSBO, vincule-o a um ponto de vinculação e preencha-o com os dados iniciais.

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

// Vincular o SSBO ao ponto de vinculação 0
gl.bindBufferBase(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, 0, outputBuffer);

            

              
                Copy
              
            
          

4. Despachar o Compute Shader

Para executar o compute shader, precisamos de o despachar. Isso envolve especificar o número de workgroups a serem lançados em cada dimensão. O número de workgroups é determinado dividindo o número total de pixels pelo tamanho do workgroup definido no shader.

            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` lança o compute shader. `gl.memoryBarrier` garante que a GPU terminou de escrever no SSBO antes que a CPU tente ler a partir dele.

5. Ler os Resultados

Depois que o compute shader terminar a execução, precisamos de ler a imagem renderizada do SSBO de volta para a CPU. Isso envolve a criação de um buffer na CPU e, em seguida, usar `gl.getBufferSubData` para copiar os dados do SSBO para o buffer da CPU. Finalmente, crie um elemento de imagem usando os dados.

            // Criar um buffer na CPU para conter os dados da imagem
const imageData = new Float32Array(imageWidth * imageHeight * 4);

// Vincular o SSBO para leitura
gl.bindBuffer(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, outputBuffer);
gl.getBufferSubData(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, 0, imageData);

// Criar um elemento de imagem a partir dos dados (exemplo usando uma biblioteca como 'OffscreenCanvas')
// Exibir a imagem no ecrã

            

              
                Copy
              
            
          

Representação da Cena e Estruturas de Aceleração

Um aspeto crucial do ray tracing é encontrar eficientemente os pontos de interseção entre raios e objetos na cena. Testes de interseção por força bruta, onde cada raio é testado contra cada objeto, são computacionalmente caros. Para melhorar o desempenho, são usadas estruturas de aceleração para organizar os dados da cena e descartar rapidamente objetos que têm pouca probabilidade de intersetar um determinado raio.

Estruturas de Aceleração Comuns:

• Bounding Volume Hierarchy (BVH): Uma estrutura de árvore hierárquica onde cada nó representa um volume delimitador que envolve um conjunto de objetos. Isso permite rejeitar rapidamente grandes porções da cena.
• Kd-Tree: Uma estrutura de dados de partição de espaço que divide recursivamente a cena em regiões menores.
• Spatial Hashing: Divide a cena numa grelha de células e armazena os objetos nas células que eles intersetam.

Para o ray tracing em WebGL, as BVHs são frequentemente a escolha preferida devido à sua relativa facilidade de implementação e bom desempenho. Implementar uma BVH envolve os seguintes passos:

1. Cálculo da Bounding Box: Calcular a bounding box para cada objeto na cena (ex: triângulos).
2. Construção da Árvore: Dividir recursivamente a cena em bounding boxes menores até que cada nó folha contenha um pequeno número de objetos. Critérios de divisão comuns incluem o ponto médio do eixo mais longo ou a heurística da área de superfície (SAH).
3. Travessia: Percorrer a BVH durante o ray tracing, começando pelo nó raiz. Se o raio intersetar a bounding box de um nó, percorrer recursivamente os seus filhos. Se o raio intersetar um nó folha, realizar testes de interseção contra os objetos contidos nesse nó.

Exemplo de estrutura BVH em GLSL (simplificado):

            struct BVHNode {
  vec3 min;
  vec3 max;
  int leftChild;
  int rightChild;
  int triangleOffset; // Índice do primeiro triângulo neste nó
  int triangleCount;  // Número de triângulos neste nó
};

            

              
                Copy
              
            
          

Interseção Raio-Triângulo

O teste de interseção mais fundamental no ray tracing é a interseção raio-triângulo. Existem inúmeros algoritmos para realizar este teste, incluindo o algoritmo de Möller–Trumbore, que é amplamente utilizado devido à sua eficiência e simplicidade.

Algoritmo de Möller–Trumbore:

O algoritmo de Möller–Trumbore calcula o ponto de interseção de um raio com um triângulo resolvendo um sistema de equações lineares. Envolve o cálculo de coordenadas baricêntricas, que determinam a posição do ponto de interseção dentro do triângulo. Se as coordenadas baricêntricas estiverem no intervalo [0, 1] e a sua soma for menor ou igual a 1, o raio interseta o triângulo.

Exemplo de código GLSL:

            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;    // O raio é paralelo ao triângulo

  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;

  // Nesta fase, podemos calcular t para descobrir onde o ponto de interseção está na linha.
  t = f * dot(edge2, q);

  if (t > 0.0001) // interseção do raio
  {
    return true;
  }
  else // Isto significa que há uma interseção de linha, mas não uma interseção de raio.
    return false;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Sombreamento e Iluminação

Uma vez encontrado o ponto de interseção, o próximo passo é calcular a cor do pixel. Isso envolve determinar como a luz interage com a superfície no ponto de interseção. Modelos de sombreamento comuns incluem:

• Sombreamento de Phong: Um modelo de sombreamento simples que calcula os componentes difuso e especular da luz.
• Sombreamento de Blinn-Phong: Uma melhoria sobre o sombreamento de Phong que usa um vetor a meio caminho para calcular o componente especular.
• Renderização Baseada na Física (PBR): Um modelo de sombreamento mais realista que leva em consideração as propriedades físicas dos materiais.

O ray tracing permite efeitos de iluminação mais avançados do que a rasterização, como iluminação global, reflexos e refrações. Estes efeitos podem ser implementados lançando raios adicionais a partir do ponto de interseção.

Exemplo: Cálculo da Iluminação Difusa

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

            

              
                Copy
              
            
          

Considerações de Desempenho e Otimizações

O ray tracing é computacionalmente intensivo, e alcançar desempenho em tempo real no WebGL requer uma otimização cuidadosa. Aqui estão algumas técnicas chave:

• Estruturas de Aceleração: Como mencionado anteriormente, usar estruturas de aceleração como BVHs é crucial para reduzir o número de testes de interseção.
• Terminação Antecipada de Raios: Terminar raios antecipadamente se eles não contribuírem significativamente para a imagem final. Por exemplo, raios de sombra podem ser terminados assim que atingem um objeto.
• Amostragem Adaptativa: Usar um número variável de amostras por pixel, dependendo da complexidade da cena. Regiões com alto detalhe ou iluminação complexa podem ser renderizadas com mais amostras.
• Redução de Ruído (Denoising): Usar algoritmos de redução de ruído para reduzir o ruído na imagem renderizada, permitindo menos amostras por pixel.
• Otimizações do Compute Shader: Otimizar o código do compute shader minimizando acessos à memória, usando operações vetoriais e evitando ramificações.
• Ajuste do Tamanho do Workgroup: Experimentar diferentes tamanhos de workgroup para encontrar a configuração ideal para a GPU alvo.
• Uso de Ray Tracing por Hardware (se disponível): Algumas GPUs agora oferecem hardware dedicado para ray tracing. Verifique e utilize extensões que exponham essa funcionalidade no WebGL.

Exemplos Globais e Aplicações

O ray tracing em WebGL tem inúmeras aplicações potenciais em várias indústrias globalmente:

• Jogos: Melhorar a fidelidade visual de jogos baseados na web com iluminação, reflexos e sombras realistas.
• Visualização de Produtos: Criar modelos 3D interativos de produtos com renderização fotorrealista para e-commerce e marketing. Por exemplo, uma empresa de móveis na Suécia poderia permitir que os clientes visualizassem móveis em suas casas com iluminação e reflexos precisos.
• Visualização Arquitetónica: Visualizar projetos arquitetónicos com iluminação e materiais realistas. Um escritório de arquitetura no Dubai poderia usar o ray tracing para apresentar projetos de edifícios com simulações precisas de luz solar e sombras.
• Realidade Virtual (RV) e Realidade Aumentada (RA): Melhorar o realismo de experiências de RV e RA incorporando efeitos de ray tracing. Por exemplo, um museu em Londres poderia oferecer um tour em RV com detalhes visuais aprimorados através do ray tracing.
• Visualização Científica: Visualizar dados científicos complexos com técnicas de renderização realistas. Um laboratório de pesquisa no Japão poderia usar o ray tracing para visualizar estruturas moleculares com iluminação e sombras precisas.
• Educação: Desenvolver ferramentas educacionais interativas que demonstrem os princípios da ótica e do transporte de luz.

Desafios e Direções Futuras

Embora o ray tracing em tempo real em WebGL esteja a tornar-se cada vez mais viável, vários desafios permanecem:

• Desempenho: Alcançar altas taxas de frames com cenas complexas ainda é um desafio.
• Complexidade: Implementar um ray tracer completo requer um esforço de programação significativo.
• Suporte de Hardware: Nem todas as GPUs suportam as extensões necessárias para compute shaders ou ray tracing por hardware.

As direções futuras para o ray tracing em WebGL incluem:

• Suporte de Hardware Melhorado: À medida que mais GPUs incorporam hardware dedicado para ray tracing, o desempenho melhorará significativamente.
• APIs Padronizadas: O desenvolvimento de APIs padronizadas para ray tracing por hardware em WebGL simplificará o processo de implementação.
• Técnicas Avançadas de Redução de Ruído: Algoritmos de redução de ruído mais sofisticados permitirão imagens de maior qualidade com menos amostras.
• Integração com WebAssembly (Wasm): Usar WebAssembly para implementar partes computacionalmente intensivas do ray tracer poderá melhorar o desempenho.

Conclusão

O ray tracing em tempo real em WebGL usando compute shaders é um campo em rápida evolução com o potencial de revolucionar os gráficos na web. Ao compreender os fundamentos do ray tracing, aproveitar o poder dos compute shaders e empregar técnicas de otimização, os desenvolvedores podem criar experiências visuais impressionantes que antes eram consideradas impossíveis num navegador web. À medida que o hardware e o software continuam a melhorar, podemos esperar ver aplicações ainda mais impressionantes de ray tracing na web nos próximos anos, acessíveis a um público global a partir de qualquer dispositivo com um navegador moderno.

Este guia forneceu uma visão abrangente dos conceitos e técnicas envolvidos na implementação de ray tracing em tempo real em WebGL. Incentivamos os desenvolvedores em todo o mundo a experimentar estas técnicas e a contribuir para o avanço dos gráficos na web.