WebGL, трассировка лучей и глобальное освещение: достижение физически точного освещения в веб-приложениях

Стремление к реализму в 3D-графике стимулирует постоянные инновации в методах рендеринга. Трассировка лучей, когда-то ограниченная офлайн-рендерингом из-за своей вычислительной сложности, теперь становится все более доступной в средах реального времени, благодаря достижениям в аппаратном обеспечении и API, таким как WebGL. Эта статья углубляется в увлекательный мир трассировки лучей и глобального освещения в WebGL, исследуя, как добиться физически точного освещения в веб-приложениях.

Понимание глобального освещения

Глобальное освещение (GI) относится к набору методов рендеринга, которые имитируют способ распространения света по сцене, создавая более реалистичный и захватывающий визуальный опыт. В отличие от прямого освещения, которое учитывает только источники света, непосредственно освещающие поверхности, GI учитывает непрямое освещение – свет, отраженный, преломленный или рассеянный от других поверхностей в окружающей среде. Это включает такие эффекты, как:

• Диффузное переотражение: Свет, отражающийся между диффузными поверхностями, что приводит к появлению цветовых ореолов и тонкого фонового освещения. Представьте себе красную стену, отбрасывающую слабый красный оттенок на соседний белый пол.
• Зеркальное отражение: Точные отражения источников света и окружающей среды на блестящих поверхностях. Подумайте об отражении окна в отполированной металлической сфере.
• Преломление: Изгибание света при прохождении через прозрачные материалы, создающее реалистичные искажения и каустики. Рассмотрите, как стакан воды преломляет свет, создавая узоры на поверхности под ним.
• Подповерхностное рассеивание (SSS): Свет, проникающий в полупрозрачные материалы и рассеивающийся внутри, прежде чем выйти наружу, что приводит к мягкому, подсвеченному виду. Примеры включают кожу, мрамор и молоко.

Достижение реалистичного глобального освещения значительно улучшает визуальное качество 3D-сцен, делая их более правдоподобными и привлекательными. Однако точное моделирование этих эффектов является вычислительно затратным.

Трассировка лучей: путь к реалистичному освещению

Трассировка лучей — это метод рендеринга, который имитирует поведение света, отслеживая лучи от камеры (или глаза) через каждый пиксель изображения и в сцену. Когда луч пересекает поверхность, трассировщик лучей определяет цвет и яркость этой точки, учитывая эффекты освещения в этой локации. Этот процесс может быть рекурсивно повторен для моделирования отражений, преломлений и других сложных взаимодействий света.

Традиционный рендеринг на основе растеризации, доминирующий метод в графике реального времени на протяжении многих лет, аппроксимирует глобальное освещение с помощью таких методов, как ambient occlusion (затенение окружающим светом), screen-space reflections (отражения в экранном пространстве) и light probes (световые зонды). Хотя эти методы могут давать визуально привлекательные результаты, им часто не хватает точности и физической корректности трассировки лучей.

Трассировка лучей, напротив, естественным образом обрабатывает эффекты глобального освещения, отслеживая пути световых лучей, когда они взаимодействуют со сценой. Это позволяет точно моделировать отражения, преломления и другие сложные явления переноса света.

WebGL и трассировка лучей: развивающаяся среда

WebGL (Web Graphics Library) — это API JavaScript для рендеринга интерактивной 2D- и 3D-графики в любом совместимом веб-браузере без использования плагинов. Он использует базовый графический процессор (GPU) для ускорения производительности рендеринга. Традиционно WebGL ассоциировался с рендерингом на основе растеризации.

Однако недавние достижения в WebGL, в частности, с появлением WebGL 2 и расширений, таких как GL_EXT_ray_tracing и WEBGL_gpu_acceleration, открывают возможности для включения методов трассировки лучей в веб-приложения. Эти расширения предоставляют доступ к функциям трассировки лучей, ускоряемым графическим процессором, позволяя разработчикам создавать более реалистичные и визуально потрясающие веб-интерфейсы.

Существует несколько подходов к реализации трассировки лучей в WebGL:

• Вычислительные шейдеры: Вычислительные шейдеры позволяют выполнять вычисления общего назначения на графическом процессоре. Алгоритмы трассировки лучей могут быть реализованы с использованием вычислительных шейдеров, выполняющих тесты пересечения лучей со сценой и вычисляющих эффекты освещения. Этот подход требует более ручной реализации, но предлагает гибкость и контроль.
• Аппаратно ускоренные расширения трассировки лучей: Расширения, такие как GL_EXT_ray_tracing, предоставляют прямой доступ к возможностям аппаратной трассировки лучей, если они доступны на устройстве пользователя. Этот подход может значительно улучшить производительность по сравнению с реализациями на основе вычислительных шейдеров. Однако он зависит от наличия конкретного аппаратного обеспечения и поддержки драйверов.
• WebGPU: WebGPU является преемником WebGL, разработанным для предоставления более современного и эффективного API для доступа к возможностям графического процессора. WebGPU имеет встроенную поддержку трассировки лучей, что делает его перспективной платформой для будущих веб-приложений на основе трассировки лучей.

Реализация трассировки лучей и глобального освещения в WebGL

Реализация трассировки лучей и глобального освещения в WebGL — сложная задача, требующая глубокого понимания принципов компьютерной графики, алгоритмов трассировки лучей и программирования WebGL.

Вот упрощенный обзор типичных шагов:

1. Представление сцены: Представьте 3D-сцену с использованием структур данных, эффективных для тестов пересечения лучей со сценой. Общие структуры данных включают иерархии ограничивающих объемов (BVH) и k-d деревья. Эти структуры помогают ускорить процесс трассировки лучей, быстро отбрасывая большие части сцены, которые вряд ли будут пересечены данным лучом.
2. Генерация лучей: Генерируйте лучи из камеры через каждый пиксель изображения. Направление каждого луча определяется положением, ориентацией и полем зрения камеры.
3. Пересечение луча со сценой: Для каждого луча выполните тесты пересечения со всеми объектами в сцене. Это включает определение того, пересекает ли луч каждый объект, и, если да, вычисление точки пересечения.
4. Затенение: В точке пересечения вычислите цвет и яркость поверхности на основе модели освещения. Это включает рассмотрение прямого освещения от источников света, а также непрямого освещения от эффектов глобального освещения.
5. Сэмплирование глобального освещения: Для глобального освещения отбрасывайте дополнительные лучи от точки пересечения, чтобы сэмплировать окружающую среду. Эти лучи используются для оценки количества света, поступающего в точку от других поверхностей сцены. Методы, такие как трассировка пути, интеграция Монте-Карло и выборочное сэмплирование (importance sampling), часто используются для эффективного сэмплирования переноса света.
6. Рекурсивная трассировка лучей: Рекурсивно повторяйте шаги 3-5 для лучей отражения и преломления, отслеживая пути света, когда он отражается по сцене. Глубина рекурсии обычно ограничена, чтобы избежать чрезмерных вычислений.
7. Вывод: Выведите окончательный цвет для каждого пикселя на WebGL-канвас.

Трассировка пути: мощный метод глобального освещения

Трассировка пути — это алгоритм трассировки лучей Монте-Карло, который имитирует глобальное освещение путем трассировки случайных путей света через сцену. Это концептуально простая, но мощная техника, которая может давать очень реалистичные результаты.

При трассировке пути, вместо того чтобы просто трассировать лучи от камеры, лучи трассируются также и от источников света. Эти лучи отскакивают от поверхностей сцены, взаимодействуя с ними, пока в конечном итоге не достигнут камеры. Цвет каждого пикселя затем определяется путем усреднения вкладов всех световых путей, которые достигают камеры через этот пиксель.

Трассировка пути по своей сути является методом Монте-Карло, что означает, что она опирается на случайную выборку для оценки переноса света. Это может приводить к зашумленным изображениям, особенно при небольшом количестве выборок. Однако шум может быть уменьшен путем увеличения количества выборок на пиксель. Методы прогрессивного рендеринга, при которых изображение постепенно улучшается со временем по мере накопления большего количества выборок, часто используются для улучшения пользовательского опыта.

Пример: реализация диффузного глобального освещения с помощью трассировки пути

Рассмотрим упрощенный пример реализации диффузного глобального освещения с использованием трассировки пути в WebGL. Этот пример сосредоточен на основной концепции трассировки лучей для сбора информации о непрямом освещении.

Фрагментный шейдер (упрощенный):

            #version 300 es\nprecision highp float;\n\nin vec3 worldPosition;\nin vec3 worldNormal;\n\nuniform vec3 lightPosition;\nuniform vec3 cameraPosition;\n\nout vec4 fragColor;\n\n// Random number generator (LCG)\nuint seed;\nfloat random(in vec2 uv) {\n    seed = (uint(uv.x * 1024.0) * 1664525u + uint(uv.y * 1024.0) * 1013904223u + seed) & 0xffffffffu;\n    return float(seed) / float(0xffffffffu);\n}\n\nvec3 randomDirection(in vec3 normal) {\n    float u = random(gl_FragCoord.xy + vec2(0.0, 0.0));\n    float v = random(gl_FragCoord.xy + vec2(0.1, 0.1));\n    float theta = acos(u);\n    float phi = 2.0 * 3.14159 * v;\n    vec3 tangent = normalize(cross(normal, vec3(0.0, 1.0, 0.0)));\n    if (length(tangent) < 0.001) {\n        tangent = normalize(cross(normal, vec3(1.0, 0.0, 0.0)));\n    }\n    vec3 bitangent = cross(normal, tangent);\n\n    vec3 direction = normalize(\n        normal * cos(theta) +\n        tangent * sin(theta) * cos(phi) +\n        bitangent * sin(theta) * sin(phi)\n    );\n\n    return direction;\n}\n\nvoid main() {\n    seed = uint(gl_FragCoord.x * 1024.0 + gl_FragCoord.y);\n    vec3 normal = normalize(worldNormal);\n\n    // Direct Lighting (Simplified)\n    vec3 lightDir = normalize(lightPosition - worldPosition);\n    float diffuse = max(dot(normal, lightDir), 0.0);\n    vec3 directLighting = vec3(1.0, 1.0, 1.0) * diffuse;\n\n    // Indirect Lighting (Path Tracing)\n    vec3 indirectLighting = vec3(0.0);\n    int numSamples = 10;\n    for (int i = 0; i < numSamples; ++i) {\n        vec3 randomDir = randomDirection(normal);\n\n        //  Simplified: Assume a constant color for simplicity (replace with actual scene sampling)\n        indirectLighting += vec3(0.5, 0.5, 0.5); // Example indirect color\n    }\n    indirectLighting /= float(numSamples);\n\n    fragColor = vec4(directLighting + indirectLighting, 1.0);\n}\n
            

              
                Copy
              
            
          

Пояснение:

• Мировая позиция и нормаль: Это интерполированные атрибуты вершин, передаваемые из вершинного шейдера.
• Позиция источника света и позиция камеры: Униформные переменные, представляющие позиции источника света и камеры.
• Генератор случайных чисел: Простой линейный конгруэнтный генератор (LCG) используется для генерации псевдослучайных чисел для выборки направлений. В продакшене следует использовать лучший ГСЧ.
• Случайное направление: Генерирует случайное направление на полусфере вокруг вектора нормали. Это используется для выборки входящего света из разных направлений.
• Прямое освещение: Вычисляет диффузную компоненту прямого освещения, используя скалярное произведение нормали и направления света.
• Непрямое освещение (трассировка пути):
  • Цикл повторяется заданное количество раз (numSamples).
  • В каждой итерации генерируется случайное направление с использованием функции randomDirection.
  • Упрощенная выборка сцены: В этом упрощенном примере мы предполагаем постоянный цвет для непрямого освещения. В реальной реализации вы бы трассировали луч в направлении randomDir и сэмплировали цвет объекта, который пересекает луч. Это включает рекурсивную трассировку лучей, которая не показана в этом упрощенном примере.
  • Вклад непрямого освещения накапливается, а затем делится на количество выборок для получения среднего значения.
• Конечный цвет: Конечный цвет вычисляется путем сложения компонент прямого и непрямого освещения.

Важные замечания:

• Это очень упрощенный пример. Полный трассировщик пути требует более сложных методов для пересечения лучей со сценой, оценки материалов и уменьшения дисперсии.
• Данные сцены: Этот пример предполагает, что геометрия сцены и свойства материалов уже загружены и доступны в шейдере.
• Реализация трассировки лучей: Часть, касающаяся трассировки лучей (трассировка лучей и поиск пересечений), в этом примере явно не показана. Предполагается, что она обрабатывается другой частью кода, например, с использованием вычислительных шейдеров или расширений аппаратной трассировки лучей. Пример сосредоточен на аспекте затенения после пересечения луча с поверхностью.
• Шум: Трассировка пути часто создает зашумленные изображения, особенно при небольшом количестве выборок. Методы уменьшения дисперсии, такие как выборочное сэмплирование (importance sampling) и стратифицированное сэмплирование, могут быть использованы для уменьшения шума.

Физически корректный рендеринг (PBR)

Физически корректный рендеринг (PBR) — это подход к рендерингу, который направлен на физически точное моделирование взаимодействия света с материалами в физически точном виде. Материалы PBR определяются параметрами, соответствующими реальным физическим свойствам, таким как:

• Базовый цвет (альбедо): Присущий материалу цвет.
• Металличность: Указывает, является ли материал металлическим или неметаллическим.
• Шероховатость: Описывает шероховатость поверхности, которая влияет на количество зеркального отражения. Шероховатая поверхность будет рассеивать свет более диффузно, в то время как гладкая поверхность будет давать более резкие отражения.
• Зеркальность: Контролирует интенсивность зеркального отражения.
• Карта нормалей: Текстура, которая хранит векторы нормалей, позволяя имитировать детализированную геометрию поверхности без фактического увеличения количества полигонов.

Используя PBR-материалы, вы можете создавать более реалистичные и последовательные световые эффекты в различных средах. В сочетании с методами глобального освещения PBR может давать исключительно реалистичные результаты.

Интеграция PBR с трассировкой лучей и глобальным освещением в WebGL

Для интеграции PBR с трассировкой лучей и глобальным освещением в WebGL необходимо использовать свойства PBR-материалов в расчетах затенения внутри алгоритма трассировки лучей.

Это включает в себя:

• Оценка BRDF: Функция двунаправленного распределения отражения (BRDF) описывает, как свет отражается от поверхности в данной точке. Материалы PBR используют специфические BRDF, основанные на физических принципах, например, BRDF Кука-Торренса.
• Сэмплирование окружающей среды: При расчете глобального освещения необходимо сэмплировать окружающую среду, чтобы оценить количество света, поступающего на поверхность. Это может быть сделано с использованием карт окружающей среды или путем трассировки лучей для непосредственного сэмплирования сцены.
• Применение сохранения энергии: Материалы PBR сохраняют энергию, что означает, что общее количество света, отраженного от поверхности, не может превышать количество света, падающего на нее. Это ограничение помогает обеспечить реалистичность освещения.

BRDF Кука-Торренса является популярным выбором для PBR-рендеринга, потому что она относительно проста в реализации и дает реалистичные результаты. Она состоит из трех основных компонентов:

• Диффузный член: Представляет свет, который диффузно рассеивается от поверхности. Обычно это рассчитывается с использованием закона косинусов Ламберта.
• Зеркальный член: Представляет свет, который зеркально отражается от поверхности. Этот компонент рассчитывается с использованием микрофасетной модели, которая предполагает, что поверхность состоит из крошечных, идеально отражающих микрофасет.
• Геометрическая функция: Учитывает маскирование и затенение микрофасет.
• Член Френеля: Описывает количество света, которое отражается от поверхности под разными углами.
• Функция распределения: Описывает распределение нормалей микрофасет.

Соображения производительности

Трассировка лучей, особенно с глобальным освещением, является вычислительно требовательной. Достижение производительности в реальном времени в WebGL требует тщательной оптимизации и учета возможностей аппаратного обеспечения.

Вот некоторые ключевые методы оптимизации производительности:

• Иерархии ограничивающих объемов (BVH): Используйте BVH или другие пространственные структуры ускорения, чтобы уменьшить количество тестов пересечения лучей со сценой.
• Пакетная обработка лучей: Обрабатывайте лучи пакетами для улучшения загрузки графического процессора.
• Адаптивная выборка: Используйте методы адаптивной выборки, чтобы сосредоточить вычислительные ресурсы на тех областях изображения, которые требуют большего количества выборок.
• Удаление шума: Применяйте алгоритмы удаления шума для уменьшения шума в отрендеренных изображениях, что позволяет использовать меньше выборок на пиксель. Временное накопление также может помочь уменьшить шум на конечном изображении.
• Аппаратное ускорение: Используйте расширения аппаратной трассировки лучей, если они доступны.
• Более низкое разрешение: Рендерите с более низким разрешением и масштабируйте изображение, чтобы улучшить производительность.
• Прогрессивный рендеринг: Используйте прогрессивный рендеринг для быстрого отображения начального изображения низкого качества, а затем постепенно улучшайте его со временем.
• Оптимизация шейдеров: Тщательно оптимизируйте код шейдера, чтобы уменьшить вычислительные затраты на расчеты затенения.

Вызовы и будущие направления

Хотя трассировка лучей и глобальное освещение в WebGL обладают огромным потенциалом, остается несколько проблем:

• Требования к оборудованию: Производительность трассировки лучей сильно зависит от базового аппаратного обеспечения. Не все устройства поддерживают аппаратную трассировку лучей, и производительность может значительно отличаться на разных графических процессорах.
• Сложность: Реализация алгоритмов трассировки лучей и их интеграция с существующими приложениями WebGL может быть сложной и трудоемкой.
• Оптимизация производительности: Достижение производительности в реальном времени требует значительных усилий по оптимизации и тщательного учета аппаратных ограничений.
• Поддержка браузерами: Последовательная поддержка расширений трассировки лучей браузерами имеет решающее значение для широкого распространения.

Несмотря на эти проблемы, будущее трассировки лучей в WebGL выглядит многообещающим. По мере того как аппаратное и программное обеспечение продолжают развиваться, мы можем ожидать появления более сложных и производительных методов трассировки лучей, интегрированных в веб-приложения. WebGPU, вероятно, сыграет важную роль в этом процессе.

Будущие исследования и разработки в этой области могут сосредоточиться на следующем:

• Улучшенные алгоритмы трассировки лучей: Разработка более эффективных и надежных алгоритмов трассировки лучей, хорошо подходящих для веб-сред.
• Продвинутые методы удаления шума: Создание более эффективных алгоритмов удаления шума, которые могут уменьшать шум в изображениях, трассированных лучами, с минимальным влиянием на производительность.
• Автоматическая оптимизация: Разработка инструментов и методов для автоматической оптимизации производительности трассировки лучей на основе возможностей аппаратного обеспечения и сложности сцены.
• Интеграция с ИИ: Использование ИИ и машинного обучения для улучшения производительности и качества трассировки лучей, например, использование ИИ для ускорения удаления шума или для интеллектуальной выборки сцены.

Заключение

Трассировка лучей и глобальное освещение в WebGL представляют собой значительный шаг к достижению физически точного освещения в веб-приложениях. Используя мощь трассировки лучей и PBR, разработчики могут создавать более реалистичные и захватывающие 3D-опыты, которые когда-то были возможны только в средах офлайн-рендеринга. Хотя проблемы остаются, продолжающиеся достижения в аппаратном и программном обеспечении прокладывают путь к будущему, где трассировка лучей в реальном времени станет стандартной функцией веб-графики. По мере созревания технологии мы можем ожидать новую волну визуально потрясающих и интерактивных веб-приложений, которые стирают грань между виртуальным и реальным мирами. От интерактивных конфигураторов продуктов и архитектурных визуализаций до захватывающих игровых впечатлений и приложений виртуальной реальности, трассировка лучей и глобальное освещение в WebGL имеют потенциал революционизировать способ нашего взаимодействия с 3D-контентом в интернете.