Расширения трассировки лучей в WebGL: аппаратное ускорение трассировки лучей в вебе

Годами трассировка лучей была святым Граалем компьютерной графики, обещая фотореалистичные изображения с точным освещением, отражениями и тенями. Хотя традиционно она предназначалась для офлайн-рендеринга из-за своей вычислительной интенсивности, недавние достижения в области аппаратного обеспечения сделали трассировку лучей в реальном времени реальностью. Теперь, с появлением расширений трассировки лучей в WebGL, эта мощная технология готова совершить революцию в веб-графике.

Что такое трассировка лучей?

Трассировка лучей — это техника рендеринга, которая симулирует взаимодействие света с объектами в сцене. Вместо растеризации полигонов, трассировка лучей следует по пути световых лучей от камеры, отслеживая их через сцену до пересечения с объектами. Вычисляя цвет и интенсивность каждого луча, трассировка лучей создает изображения с реалистичным освещением, отражениями и тенями.

В отличие от растеризации, которая аппроксимирует эти эффекты, трассировка лучей обеспечивает более физически точное представление переноса света, что приводит к потрясающим визуальным результатам. Однако эта точность достигается за счет значительных вычислительных затрат, что делает трассировку лучей в реальном времени сложной задачей.

Развитие аппаратно-ускоренной трассировки лучей

Чтобы преодолеть вычислительные ограничения традиционной трассировки лучей, производители видеокарт разработали специализированное оборудование для ускорения вычислений трассировки лучей. Технологии, такие как NVIDIA RTX и AMD Radeon RX series, включают в себя специализированные ядра для трассировки лучей, которые значительно повышают производительность, делая трассировку лучей в реальном времени возможной.

Эти аппаратные достижения проложили путь для новых техник рендеринга, которые используют трассировку лучей для достижения беспрецедентного уровня реализма. Игры, симуляции и другие приложения теперь включают отражения, тени, глобальное освещение и многое другое, созданное с помощью трассировки лучей, создавая захватывающие и визуально ошеломляющие впечатления.

Расширения трассировки лучей в WebGL: трассировка лучей приходит в веб

WebGL, стандартный API для рендеринга интерактивной 2D- и 3D-графики в веб-браузерах, традиционно полагался на растеризацию. Однако с введением расширений трассировки лучей WebGL теперь способен использовать мощь аппаратно-ускоренной трассировки лучей. Это открывает мир возможностей для веб-графики, позволяя разработчикам создавать более реалистичные и увлекательные впечатления непосредственно в браузере.

Эти расширения предоставляют механизм для доступа к базовому аппаратному обеспечению трассировки лучей через JavaScript и GLSL (OpenGL Shading Language), язык шейдеров, используемый в WebGL. Используя эти расширения, разработчики могут интегрировать трассировку лучей в свои веб-приложения, пользуясь преимуществами производительности специализированного оборудования для трассировки лучей.

Ключевые расширения трассировки лучей в WebGL:

• GL_EXT_ray_tracing: Это основное расширение закладывает фундамент для трассировки лучей в WebGL, определяя основные функции и структуры данных. Оно позволяет разработчикам создавать ускоряющие структуры, запускать лучи и получать доступ к результатам трассировки.
• GL_EXT_acceleration_structure: Это расширение определяет ускоряющие структуры — иерархические структуры данных, используемые для эффективного нахождения пересечений лучей с геометрией сцены. Построение и управление ускоряющими структурами является решающим шагом в трассировке лучей, поскольку это значительно влияет на производительность.
• GL_EXT_ray_query: Это расширение предоставляет механизм для запроса результатов трассировки лучей, таких как расстояние до точки пересечения, геометрия пересечения и нормаль к поверхности в этой точке. Эта информация необходима для расчетов затенения и освещения.

Преимущества трассировки лучей в WebGL

Внедрение расширений трассировки лучей в WebGL предлагает несколько значительных преимуществ:

• Повышенное визуальное качество: Трассировка лучей позволяет более реалистично отображать отражения, тени и глобальное освещение, что приводит к визуально ошеломляющим и захватывающим веб-впечатлениям.
• Улучшенная производительность: Аппаратно-ускоренная трассировка лучей обеспечивает значительный прирост производительности по сравнению с традиционными техниками на основе растеризации, позволяя создавать более сложные и детализированные сцены.
• Новые творческие возможности: Трассировка лучей открывает новые творческие возможности для веб-разработчиков, позволяя им создавать инновационные и визуально привлекательные приложения, которые ранее были невозможны.
• Кроссплатформенная совместимость: WebGL является кроссплатформенным API, что означает, что приложения с трассировкой лучей, разработанные с использованием WebGL, будут работать на любом устройстве с совместимым браузером и оборудованием.
• Доступность: WebGL предоставляет удобную и доступную платформу для развертывания приложений с трассировкой лучей, поскольку пользователи могут просто получить к ним доступ через веб-браузер без необходимости установки дополнительного программного обеспечения.

Сферы применения трассировки лучей в WebGL

Трассировка лучей в WebGL имеет широкий спектр потенциальных применений в различных отраслях:

• Игры: Трассировка лучей может повысить визуальную достоверность веб-игр, создавая более захватывающие и реалистичные игровые впечатления. Представьте себе шутер от первого лица с отражениями и тенями, созданными с помощью трассировки лучей, или исследование виртуального мира с реалистичным глобальным освещением.
• Визуализация продуктов: Трассировку лучей можно использовать для создания реалистичных рендеров продуктов, позволяя клиентам детально рассмотреть их перед покупкой. Например, продавец мебели мог бы использовать трассировку лучей для демонстрации текстур и освещения своих товаров в виртуальном шоу-руме.
• Архитектурная визуализация: Архитекторы могут использовать трассировку лучей для создания реалистичных визуализаций зданий и интерьеров, позволяя клиентам подробно изучать их проекты. Это может помочь клиентам лучше понять дизайн и принять обоснованные решения. Представьте себе исследование виртуальной модели здания с реалистичным освещением и отражениями, что позволит вам ощутить пространство еще до его постройки.
• Виртуальная реальность (VR) и дополненная реальность (AR): Трассировка лучей может повысить реализм VR- и AR-впечатлений, создавая более захватывающие и увлекательные среды. Например, трассировку лучей можно использовать для создания реалистичных теней и отражений в VR-игре или для точного наложения виртуальных объектов на реальный мир в AR-приложении.
• Научная визуализация: Трассировку лучей можно использовать для визуализации сложных научных данных, таких как симуляции гидродинамики или молекулярных структур. Это может помочь ученым лучше понять свои данные и совершать новые открытия.
• Образование: Трассировку лучей можно использовать для создания интерактивных образовательных симуляций, позволяя студентам изучать сложные концепции в визуально привлекательной форме. Например, симуляция по физике могла бы использовать трассировку лучей для точного моделирования поведения света, позволяя студентам наглядно увидеть принципы оптики.

Технические аспекты

Хотя трассировка лучей в WebGL предлагает много преимуществ, следует учитывать и несколько технических аспектов:

• Требования к оборудованию: Трассировка лучей требует специализированного оборудования, такого как графические процессоры NVIDIA RTX или AMD Radeon RX series. Приложения, использующие трассировку лучей, не будут работать или будут работать плохо на системах без этого оборудования.
• Оптимизация производительности: Трассировка лучей может быть вычислительно интенсивной, поэтому важно оптимизировать сцену и код трассировки лучей для достижения хорошей производительности. Это может включать использование таких техник, как уровень детализации (LOD) и адаптивная выборка.
• Управление ускоряющими структурами: Построение и управление ускоряющими структурами имеет решающее значение для производительности трассировки лучей. Разработчикам необходимо тщательно подходить к выбору ускоряющей структуры и стратегии ее обновления при изменении сцены.
• Сложность шейдеров: Шейдеры для трассировки лучей могут быть сложными, требуя хорошего понимания GLSL и алгоритмов трассировки лучей. Разработчикам может потребоваться изучить новые техники для написания эффективных и действенных шейдеров трассировки лучей.
• Отладка: Отладка кода трассировки лучей может быть сложной, поскольку она включает отслеживание путей отдельных лучей. Разработчикам может потребоваться использовать специализированные инструменты отладки для выявления и исправления ошибок.

Пример: реализация отражений с трассировкой лучей в WebGL

Рассмотрим упрощенный пример реализации отражений с трассировкой лучей в WebGL с использованием расширений для трассировки лучей. Этот пример предполагает, что у вас есть базовая сцена WebGL с камерой, графом сцены и системой материалов.

1. Создание ускоряющей структуры:

   Сначала вам нужно создать ускоряющую структуру, которая представляет геометрию сцены. Это можно сделать с помощью расширения GL_EXT_acceleration_structure. Ускоряющая структура будет использоваться для эффективного нахождения пересечений лучей со сценой.

2. Написание шейдера генерации лучей:

   Далее вам нужно написать шейдер генерации лучей, который будет запускать лучи от камеры. Этот шейдер будет перебирать пиксели на экране и генерировать луч для каждого пикселя.

   Вот упрощенный пример шейдера генерации лучей:

               #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. Написание шейдера ближайшего пересечения:

   Вам также нужно написать шейдер ближайшего пересечения (closest hit shader), который будет выполняться, когда луч пересекает объект. Этот шейдер будет вычислять цвет объекта в точке пересечения и возвращать его в качестве значения пересечения.

   Вот упрощенный пример шейдера ближайшего пересечения:

               #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. Запуск конвейера трассировки лучей:

   Наконец, вам нужно запустить конвейер трассировки лучей. Это включает в себя привязку ускоряющей структуры, шейдера генерации лучей и шейдера ближайшего пересечения, а затем запуск вычислений трассировки лучей.

5. Реализация отражений:

   В шейдере ближайшего пересечения, вместо того чтобы просто возвращать цвет поверхности, вычислите вектор отражения. Затем запустите новый луч в направлении отражения, чтобы определить цвет отраженного объекта. Это требует рекурсивного вызова конвейера трассировки лучей (с ограничениями, чтобы избежать бесконечных циклов) или использования отдельного прохода для отражений. Окончательный цвет будет комбинацией цвета поверхности и отраженного цвета.

   Это упрощенный пример, и реальная реализация будет включать в себя более сложные вычисления, такие как обработка многократных отскоков, сэмплирование различных источников света и применение сглаживания. Помните о производительности, так как трассировка лучей может быть вычислительно дорогостоящей.

Будущее трассировки лучей в WebGL

Трассировка лучей в WebGL все еще находится на ранней стадии, но у нее есть потенциал для преобразования веб-графики. По мере того, как аппаратно-ускоренная трассировка лучей становится все более доступной, мы можем ожидать появления все большего числа веб-приложений, использующих эту технологию. Это приведет к созданию более реалистичных и увлекательных веб-впечатлений в широком спектре отраслей.

Кроме того, продолжающиеся усилия по разработке и стандартизации в рамках Khronos Group, организации, ответственной за WebGL, вероятно, приведут к дальнейшим улучшениям API и увеличению его внедрения производителями браузеров. Это сделает трассировку лучей более доступной для веб-разработчиков и ускорит рост экосистемы трассировки лучей в WebGL.

Будущее трассировки лучей в WebGL выглядит светлым, и мы можем ожидать еще более захватывающих разработок в ближайшие годы. По мере созревания технологии она откроет новые возможности для веб-графики и создаст новое поколение захватывающих и визуально ошеломляющих впечатлений.

Глобальное влияние и доступность

Появление трассировки лучей в WebGL может значительно повлиять на глобальную доступность высококачественной графики. Традиционные высокопроизводительные графические приложения часто требуют специализированного оборудования и программного обеспечения, что ограничивает их доступность для отдельных лиц и организаций с достаточными ресурсами.

WebGL, будучи веб-технологией, предлагает более демократичный подход. Пока у пользователей есть доступ к совместимому браузеру и оборудованию (что становится все более распространенным с внедрением встроенной графики, способной к трассировке лучей), они могут испытывать эти передовые графические возможности. Это особенно выгодно в регионах с ограниченным доступом к высокопроизводительному оборудованию или где лицензии на специализированное ПО являются слишком дорогими.

Более того, кроссплатформенная природа WebGL гарантирует, что приложения могут работать на широком спектре устройств, от настольных компьютеров и ноутбуков до мобильных телефонов и планшетов. Это еще больше расширяет охват технологии трассировки лучей, делая ее доступной для более широкой глобальной аудитории.

Однако важно признать потенциальный цифровой разрыв, основанный на возможностях оборудования. Хотя оборудование, способное к трассировке лучей, становится все более распространенным, оно все еще не является общедоступным. Разработчикам следует стремиться создавать масштабируемые приложения, которые могут адаптироваться к различным конфигурациям оборудования, гарантируя, что пользователи с менее мощными устройствами все равно смогут получить положительный опыт.

Заключение

Расширения трассировки лучей в WebGL представляют собой значительный шаг вперед в эволюции веб-графики. Привнося аппаратно-ускоренную трассировку лучей в веб-браузеры, эти расширения открывают мир возможностей для создания более реалистичных, увлекательных и захватывающих впечатлений. Хотя существуют технические аспекты, которые следует учитывать, преимущества трассировки лучей в WebGL неоспоримы, и мы можем ожидать, что она будет играть все более важную роль в будущем веба.

По мере созревания и широкого внедрения технологии она даст веб-разработчикам возможность создавать инновационные и визуально ошеломляющие приложения, которые ранее были невообразимы. Будущее веб-графики выглядит светлым, и трассировка лучей в WebGL готова стать ключевым фактором этой эволюции.