Структура ускорения трассировки лучей в WebGL: Пространственная организация данных для глобальных 3D-приложений

Трассировка лучей — это мощный метод рендеринга, который имитирует поведение света в реальном мире. Он создает фотореалистичные изображения, отслеживая путь лучей света через сцену. Хотя трассировка лучей обеспечивает превосходное визуальное качество, она является вычислительно затратной. Для достижения частоты кадров в реальном времени или интерактивной частоты кадров, особенно в браузерных приложениях WebGL, структуры ускорения являются неотъемлемыми. В этой статье исследуются фундаментальные концепции структур ускорения, используемых в трассировке лучей WebGL, с акцентом на пространственную организацию данных и ее влияние на производительность.

Необходимость структур ускорения

Без структур ускорения трассировка лучей включает пересечение каждого луча с каждым объектом в сцене. Этот подход полного перебора приводит к сложности O(n) для каждого луча, где 'n' — количество примитивов (треугольников, сфер и т. д.) в сцене. Для сложных сцен с миллионами примитивов это становится непомерно дорогим.

Структуры ускорения решают эту проблему, организуя геометрию сцены таким образом, чтобы мы могли быстро отбрасывать большие части сцены, которые, вероятно, не будут пересечены заданным лучом. Они уменьшают количество тестов пересечения луча с примитивом, значительно повышая производительность рендеринга. Представьте, что вы ищете определенную книгу в библиотеке. Без индекса (структуры ускорения) вам пришлось бы проверять каждую книгу на каждой полке. Индекс позволяет быстро найти нужный раздел и эффективно найти книгу. Структуры ускорения выполняют аналогичную функцию в трассировке лучей.

Распространенные структуры ускорения

В трассировке лучей обычно используются несколько типов структур ускорения. Наиболее распространенным является иерархия ограничивающих объемов (BVH), но также используются и другие, такие как k-d деревья и равномерные сетки. Эта статья сосредоточена на BVH из-за их гибкости и эффективности при работе с разнообразными сценами.

Иерархия ограничивающих объемов (BVH)

BVH — это древовидная структура данных, где каждый узел представляет ограничивающий объем, который заключает в себе набор примитивов. Корневой узел заключает в себе всю сцену, а каждый внутренний узел заключает в себе подмножество геометрии сцены. Листовые узлы содержат ссылки на фактические примитивы (например, треугольники).

Основной принцип BVH заключается в тестировании луча против ограничивающего объема узла. Если луч не пересекает ограничивающий объем, то он не может пересечь ни один из примитивов, содержащихся в этом узле, и мы можем пропустить обход поддерева. Если луч пересекает ограничивающий объем, мы рекурсивно обходим дочерние узлы, пока не достигнем листовых узлов, где мы выполняем тесты пересечения луча с примитивом.

Построение BVH:

Построение BVH — это критически важный этап, который существенно влияет на его производительность. Хорошо построенный BVH минимизирует количество тестов пересечения луча с ограничивающим объемом. Существует два основных подхода к построению BVH: сверху вниз и снизу вверх.

• Построение сверху вниз: Этот подход начинается с корневого узла и рекурсивно разбивает его до тех пор, пока не будут достигнуты определенные критерии остановки. Процесс разбиения обычно включает выбор плоскости разделения, которая делит примитивы на две группы. Выбор плоскости разделения имеет решающее значение. Распространенные стратегии включают:
• Пространственное медианное разделение: Разделяет примитивы на основе их пространственного положения по оси (например, X, Y или Z). Это простой и быстрый метод, но он не всегда приводит к сбалансированным деревьям.
• Объектное медианное разделение: Разделяет примитивы на основе медианы их центроидов. Это часто приводит к более сбалансированным деревьям, чем пространственное медианное разделение.
• Эвристика площади поверхности (SAH): Это более сложный подход, который оценивает стоимость обхода дерева на основе площади поверхности ограничивающих объемов. SAH стремится минимизировать ожидаемую стоимость обхода, выбирая плоскость разделения, которая приводит к наименьшей общей стоимости. SAH обычно производит наиболее эффективные BVH, но его также наиболее затратно строить вычислительно.
• Построение снизу вверх: Этот подход начинается с отдельных примитивов в качестве листовых узлов и итеративно объединяет их в более крупные ограничивающие объемы до тех пор, пока не будет сформирован один корневой узел. Этот подход менее распространен для BVH трассировки лучей, но может быть полезен в динамических сценах, где геометрия часто меняется.

Критерии остановки:

Процесс разбиения продолжается до тех пор, пока не будет достигнут критерий остановки. Распространенные критерии остановки включают:

• Максимальная глубина дерева: Ограничивает глубину дерева, чтобы предотвратить чрезмерное использование памяти или накладные расходы на обход.
• Минимальное количество примитивов на узел: Останавливает разбиение узла, когда он содержит небольшое количество примитивов. Типичное значение — 1-4 примитива.
• Пороговое значение стоимости: Останавливает разбиение узла, когда предполагаемая стоимость дальнейшего разбиения превышает определенный порог.

Обход BVH:

Алгоритм обхода BVH — это рекурсивный процесс, который эффективно определяет, какие примитивы в сцене пересекаются заданным лучом. Алгоритм начинается с корневого узла и выполняется следующим образом:

1. Тестирует луч против ограничивающего объема текущего узла.
2. Если луч не пересекает ограничивающий объем, обход останавливается для этого узла и его поддерева.
3. Если луч пересекает ограничивающий объем, алгоритм рекурсивно обходит дочерние узлы.
4. При достижении листового узла алгоритм выполняет тесты пересечения луча с примитивом для каждого примитива, содержащегося в листовом узле.

Методы пространственной организации данных

Способ организации данных в структуре ускорения существенно влияет на ее производительность. Для оптимизации пространственной организации данных используются различные методы:

Плотность ограничивающих объемов

Более плотные ограничивающие объемы снижают вероятность ложных срабатываний при тестах пересечения луча с ограничивающим объемом. Плотный ограничивающий объем плотно прилегает к заключенной в нем геометрии, минимизируя пустое пространство вокруг него. Распространенные типы ограничивающих объемов включают:

• Выровненные по осям ограничивающие рамки (AABB): AABB являются наиболее распространенным типом ограничивающих объемов из-за их простоты и эффективности. Они определяются их минимальными и максимальными координатами по каждой оси. AABB легко строить и пересекать с лучами.
• Ориентированные ограничивающие рамки (OBB): OBB более плотно прилегают, чем AABB, особенно для объектов, которые не выровнены по осям координат. Однако OBB более затратны в построении и пересечении с лучами.
• Сферы: Сферы просты в построении и пересечении с лучами, но они могут не подходить для всех типов геометрии.

Выбор подходящего типа ограничивающего объема зависит от конкретного приложения и компромисса между плотностью и производительностью.

Порядок узлов и расположение в памяти

Порядок хранения узлов в памяти может существенно повлиять на когерентность кэша и производительность обхода. Хранение узлов, которые, вероятно, будут доступны вместе, в смежных областях памяти может улучшить использование кэша и снизить задержку доступа к памяти.

Распространенные методы упорядочивания узлов включают:

• Порядок обхода в глубину: Узлы хранятся в порядке их посещения во время обхода дерева в глубину. Этот подход может улучшить когерентность кэша для лучей, которые проходят длинный путь через дерево.
• Порядок обхода в ширину: Узлы хранятся в порядке их посещения во время обхода дерева в ширину. Этот подход может улучшить когерентность кэша для лучей, которые пересекают большое количество узлов на одном уровне дерева.
• Линеаризация: BVH линеаризуется в плоский массив, часто с использованием кода Мортона или аналогичной кривой, заполняющей пространство. Это может улучшить когерентность кэша и обеспечить эффективный обход на GPU.

Оптимальный метод упорядочивания узлов зависит от конкретной архитектуры оборудования и характеристик сцены.

Порядок примитивов

Порядок хранения примитивов в листовых узлах также может влиять на производительность. Группировка пространственно когерентных примитивов может улучшить когерентность кэша и уменьшить количество промахов кэша во время тестов пересечения луча с примитивом. Для упорядочивания примитивов на основе их пространственного положения могут использоваться такие методы, как кривые, заполняющие пространство (например, порядок Мортона).

Соображения WebGL

Реализация трассировки лучей и структур ускорения в WebGL представляет собой уникальные проблемы и соображения:

Передача данных и управление памятью

Передача больших объемов данных (например, вершинных данных, узлов BVH) из JavaScript на GPU может стать узким местом. Эффективные методы передачи данных имеют решающее значение для достижения хорошей производительности. Использование типизированных массивов (например, Float32Array, Uint32Array) и минимизация количества передач данных могут помочь снизить накладные расходы.

Управление памятью также важно, особенно для больших сцен. WebGL имеет ограниченные ресурсы памяти, и крайне важно эффективно выделять и освобождать память, чтобы избежать ошибок нехватки памяти.

Производительность шейдеров

Логика трассировки лучей и обхода BVH обычно реализуется в шейдерах (например, GLSL). Оптимизация кода шейдера имеет решающее значение для достижения хорошей производительности. Это включает минимизацию количества инструкций, использование эффективных типов данных и избегание ветвления.

Пример: Вместо использования общего оператора `if` для проверки пересечения луча с AABB используйте оптимизированный алгоритм пересечения с пластинами для лучшей производительности. Алгоритм пересечения с пластинами специально разработан для AABB и может быть реализован с меньшим количеством инструкций.

Асинхронные операции

Построение структуры ускорения может быть трудоемким процессом, особенно для больших сцен. Выполнение этой операции асинхронно (например, с помощью Web Workers) может предотвратить зависание браузера. Основной поток может продолжать рендеринг сцены, в то время как структура ускорения строится в фоновом режиме.

WebGPU

Появление WebGPU обеспечивает более прямой контроль над GPU, открывая возможности для более сложных реализаций трассировки лучей. Благодаря таким функциям, как вычислительные шейдеры, разработчики могут более эффективно управлять памятью и реализовывать пользовательские структуры ускорения. Это приводит к повышению производительности по сравнению с традиционным WebGL.

Примеры глобальных приложений

Трассировка лучей в WebGL, ускоренная эффективной пространственной организацией данных, открывает новые возможности для различных глобальных приложений:

• Интерактивные конфигураторы продуктов: Позволяют клиентам со всего мира в реальном времени настраивать продукты (например, мебель, автомобили) с фотореалистичным рендерингом. Представьте себе европейскую мебельную компанию, позволяющую пользователям в Азии визуализировать, как диван будет выглядеть в их гостиной с разными тканями и условиями освещения, и все это в веб-браузере.
• Архитектурная визуализация: Позволяет архитекторам и дизайнерам по всему миру создавать и исследовать реалистичные визуализации зданий и интерьеров в браузере. Австралийская дизайн-фирма может сотрудничать с клиентами в Северной Америке над строительным проектом, используя трассировку лучей WebGL для визуализации изменений дизайна в реальном времени.
• Научная визуализация: Визуализация сложных научных данных (например, медицинских снимков, климатических моделей) в 3D с высокой визуальной точностью. Исследователи по всему миру могут совместно анализировать данные с помощью детализированных визуализаций, трассируемых лучами.
• Игры и развлечения: Создание захватывающих игровых впечатлений с реалистичным освещением и тенями, доступных игрокам по всему миру через их веб-браузеры.
• Электронная коммерция: Улучшение опыта онлайн-покупок путем предоставления реалистичных визуализаций продуктов. Например, ювелирный ритейлер из Гонконга может продемонстрировать блеск и отражения своих бриллиантов с помощью трассировки лучей, позволяя потенциальным покупателям по всему миру оценить качество драгоценных камней.

Практические выводы и лучшие практики

• Выберите правильную структуру ускорения: Учитывайте характеристики вашей сцены (например, статическая против динамической, количество примитивов) при выборе структуры ускорения. BVH, как правило, хороший выбор для большинства сцен, но другие структуры, такие как k-d деревья или равномерные сетки, могут быть более подходящими для конкретных случаев использования.
• Оптимизируйте построение BVH: Используйте SAH для высококачественных BVH, но рассмотрите более простые стратегии разделения, такие как пространственное медианное или объектное медианное, для более быстрого времени сборки, особенно в динамических сценах.
• Используйте плотные ограничивающие объемы: Выберите тип ограничивающего объема, который плотно соответствует геометрии, чтобы уменьшить количество ложных срабатываний во время тестов пересечения луча с ограничивающим объемом.
• Оптимизируйте порядок узлов: Экспериментируйте с различными методами упорядочивания узлов (например, в глубину, в ширину, линеаризация), чтобы улучшить когерентность кэша и производительность обхода.
• Минимизируйте передачу данных: Используйте типизированные массивы и минимизируйте количество передач данных между JavaScript и GPU.
• Оптимизируйте код шейдеров: Минимизируйте количество инструкций, используйте эффективные типы данных и избегайте ветвления в ваших шейдерах.
• Используйте асинхронные операции: Выполняйте построение BVH и другие трудоемкие операции асинхронно, чтобы предотвратить зависание браузера.
• Используйте WebGPU: Изучите возможности WebGPU для более эффективного управления памятью и реализации пользовательских структур ускорения.
• Профилируйте и сравнивайте: Регулярно профилируйте и сравнивайте свой код, чтобы выявлять узкие места в производительности и соответственно оптимизировать. Используйте инструменты разработчика браузера для анализа частоты кадров, использования памяти и производительности шейдеров.

Заключение

Структуры ускорения необходимы для достижения производительности трассировки лучей в реальном времени в WebGL. Эффективно организуя пространственные данные, эти структуры уменьшают количество тестов пересечения луча с примитивом и позволяют рендерить сложные 3D-сцены. Понимание различных типов структур ускорения, методов пространственной организации данных и специфических для WebGL соображений имеет решающее значение для разработки высокопроизводительных, глобально доступных приложений трассировки лучей. Поскольку WebGPU продолжает развиваться, возможности для трассировки лучей в браузере будут расширяться еще больше, открывая новые и захватывающие приложения в различных отраслях.