Трассировка лучей в WebGL: трассировка лучей в реальном времени с помощью вычислительных шейдеров WebGL

Трассировка лучей, техника рендеринга, известная своими фотореалистичными изображениями, традиционно была вычислительно интенсивной и предназначалась для процессов офлайн-рендеринга. Однако достижения в технологии GPU и появление вычислительных шейдеров открыли путь к трассировке лучей в реальном времени в WebGL, привнося высококачественную графику в веб-приложения. Эта статья представляет собой всеобъемлющее руководство по реализации трассировки лучей в реальном времени с использованием вычислительных шейдеров в WebGL, ориентированное на глобальную аудиторию разработчиков, заинтересованных в расширении границ веб-графики.

Что такое трассировка лучей?

Трассировка лучей симулирует способ распространения света в реальном мире. Вместо растеризации полигонов, трассировка лучей испускает лучи из камеры (или глаза) через каждый пиксель на экране в сцену. Эти лучи пересекаются с объектами, и на основе свойств материалов этих объектов цвет пикселя определяется путем расчета того, как свет отражается и взаимодействует с поверхностью. Этот процесс может включать отражения, преломления и тени, что приводит к созданию высокореалистичных изображений.

Ключевые концепции трассировки лучей:

• Бросание лучей (Ray Casting): Процесс испускания лучей из камеры в сцену.
• Тесты на пересечение: Определение, где луч пересекается с объектами в сцене.
• Нормали поверхности: Векторы, перпендикулярные поверхности в точке пересечения, используемые для расчета отражения и преломления.
• Свойства материала: Определяют, как поверхность взаимодействует со светом (например, цвет, отражательная способность, шероховатость).
• Теневые лучи: Лучи, испускаемые из точки пересечения к источникам света для определения, находится ли точка в тени.
• Лучи отражения и преломления: Лучи, испускаемые из точки пересечения для симуляции отражений и преломлений.

Почему WebGL и вычислительные шейдеры?

WebGL предоставляет кроссплатформенный API для рендеринга 2D и 3D графики в веб-браузере без использования плагинов. Вычислительные шейдеры, представленные в WebGL 2.0, позволяют выполнять вычисления общего назначения на GPU. Это позволяет нам использовать параллельную вычислительную мощность GPU для эффективного выполнения расчетов трассировки лучей.

Преимущества использования WebGL для трассировки лучей:

• Кроссплатформенная совместимость: WebGL работает в любом современном веб-браузере, независимо от операционной системы.
• Аппаратное ускорение: Использует GPU для быстрого рендеринга.
• Не требуются плагины: Устраняет необходимость установки пользователями дополнительного программного обеспечения.
• Доступность: Делает трассировку лучей доступной для более широкой аудитории через веб.

Преимущества использования вычислительных шейдеров:

• Параллельная обработка: Использует массово-параллельную архитектуру GPU для эффективных расчетов трассировки лучей.
• Гибкость: Позволяет использовать пользовательские алгоритмы и оптимизации, адаптированные для трассировки лучей.
• Прямой доступ к GPU: Обходит традиционный конвейер рендеринга для большего контроля.

Обзор реализации

Реализация трассировки лучей в WebGL с использованием вычислительных шейдеров включает несколько ключевых шагов:

1. Настройка контекста WebGL: Создание контекста WebGL и включение необходимых расширений (требуется WebGL 2.0).
2. Создание вычислительных шейдеров: Написание кода GLSL для вычислительного шейдера, который выполняет расчеты трассировки лучей.
3. Создание объектов буфера хранения шейдеров (SSBO): Выделение памяти на GPU для хранения данных сцены, данных лучей и финального изображения.
4. Запуск вычислительного шейдера: Запуск вычислительного шейдера для обработки данных.
5. Чтение результатов: Получение отрендеренного изображения из SSBO и его отображение на экране.

Подробные шаги реализации

1. Настройка контекста WebGL

Первый шаг — создание контекста WebGL 2.0. Это включает получение элемента canvas из HTML и затем запрос WebGL2RenderingContext. Обработка ошибок крайне важна для обеспечения успешного создания контекста.

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

if (!gl) {
  console.error('WebGL 2.0 is not supported.');
}
            

              
                Copy
              
            
          

2. Создание вычислительных шейдеров

Ядром трассировщика лучей является вычислительный шейдер, написанный на GLSL. Этот шейдер будет отвечать за бросание лучей, выполнение тестов на пересечение и расчет цвета каждого пикселя. Вычислительный шейдер будет работать на сетке рабочих групп, каждая из которых обрабатывает небольшую область изображения.

Вот упрощенный пример вычислительного шейдера, который вычисляет базовый цвет на основе координат пикселя:

            #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
              
            
          

Этот шейдер определяет размер рабочей группы 8x8, выходной буфер с именем `pixels` и uniform-переменную для разрешения экрана. Каждый рабочий элемент (пиксель) вычисляет свой цвет на основе своего положения и записывает его в выходной буфер.

3. Создание объектов буфера хранения шейдеров (SSBO)

SSBO используются для хранения данных, которые совместно используются CPU и GPU. В данном случае мы будем использовать SSBO для хранения данных сцены (например, вершин треугольников, свойств материалов), данных лучей и финального отрендеренного изображения. Создайте SSBO, привяжите его к точке привязки и заполните начальными данными.

            // Create the 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);

// Bind the SSBO to binding point 0
gl.bindBufferBase(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, 0, outputBuffer);

            

              
                Copy
              
            
          

4. Запуск вычислительного шейдера

Чтобы запустить вычислительный шейдер, нам нужно его диспетчеризировать. Это включает указание количества рабочих групп для запуска в каждом измерении. Количество рабочих групп определяется делением общего числа пикселей на размер рабочей группы, определенный в шейдере.

            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` запускает вычислительный шейдер. `gl.memoryBarrier` гарантирует, что GPU закончил запись в SSBO, прежде чем CPU попытается прочитать из него данные.

5. Чтение результатов

После завершения выполнения вычислительного шейдера нам нужно прочитать отрендеренное изображение из SSBO обратно в CPU. Это включает создание буфера на CPU и затем использование `gl.getBufferSubData` для копирования данных из SSBO в буфер CPU. Наконец, создайте элемент изображения, используя эти данные.

            // Create a buffer on the CPU to hold the image data
const imageData = new Float32Array(imageWidth * imageHeight * 4);

// Bind the SSBO for reading
gl.bindBuffer(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, outputBuffer);
gl.getBufferSubData(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, 0, imageData);

// Create an image element from the data (example using a library like 'OffscreenCanvas')
// Display the image on the screen

            

              
                Copy
              
            
          

Представление сцены и структуры ускорения

Ключевым аспектом трассировки лучей является эффективное нахождение точек пересечения между лучами и объектами в сцене. Тесты на пересечение методом «грубой силы», когда каждый луч проверяется на пересечение с каждым объектом, являются вычислительно дорогими. Для повышения производительности используются структуры ускорения, чтобы организовать данные сцены и быстро отбрасывать объекты, которые вряд ли пересекутся с данным лучом.

Распространенные структуры ускорения:

• Иерархия ограничивающих объемов (BVH): Иерархическая древовидная структура, где каждый узел представляет собой ограничивающий объем, который заключает в себе набор объектов. Это позволяет быстро отбрасывать большие части сцены.
• Kd-дерево: Структура данных для разделения пространства, которая рекурсивно делит сцену на меньшие регионы.
• Пространственное хеширование: Делит сцену на сетку ячеек и хранит объекты в тех ячейках, которые они пересекают.

Для трассировки лучей в WebGL BVH часто является предпочтительным выбором из-за относительной простоты реализации и хорошей производительности. Реализация BVH включает следующие шаги:

1. Расчет ограничивающего параллелепипеда: Рассчитайте ограничивающий параллелепипед для каждого объекта в сцене (например, треугольников).
2. Построение дерева: Рекурсивно делите сцену на меньшие ограничивающие параллелепипеды до тех пор, пока каждый листовой узел не будет содержать небольшое количество объектов. Общие критерии разделения включают середину самой длинной оси или эвристику площади поверхности (SAH).
3. Обход: Обходите BVH во время трассировки лучей, начиная с корневого узла. Если луч пересекает ограничивающий параллелепипед узла, рекурсивно обходите его дочерние узлы. Если луч пересекает листовой узел, выполните тесты на пересечение с объектами, содержащимися в этом узле.

Пример структуры BVH в GLSL (упрощенно):

            struct BVHNode {
  vec3 min;
  vec3 max;
  int leftChild;
  int rightChild;
  int triangleOffset; // Index of the first triangle in this node
  int triangleCount;  // Number of triangles in this node
};

            

              
                Copy
              
            
          

Пересечение луча с треугольником

Самым фундаментальным тестом на пересечение в трассировке лучей является пересечение луча с треугольником. Существует множество алгоритмов для выполнения этого теста, включая алгоритм Мёллера-Трумбора, который широко используется из-за его эффективности и простоты.

Алгоритм Мёллера-Трумбора:

Алгоритм Мёллера-Трумбора вычисляет точку пересечения луча с треугольником, решая систему линейных уравнений. Он включает в себя вычисление барицентрических координат, которые определяют положение точки пересечения внутри треугольника. Если барицентрические координаты находятся в диапазоне [0, 1], а их сумма меньше или равна 1, луч пересекает треугольник.

Пример кода на 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;    // Ray is parallel to triangle

  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;

  // At this stage we can compute t to find out where the intersection point is on the line.
  t = f * dot(edge2, q);

  if (t > 0.0001) // ray intersection
  {
    return true;
  }
  else // This means that there is a line intersection but not a ray intersection.
    return false;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Затенение и освещение

После нахождения точки пересечения следующим шагом является расчет цвета пикселя. Это включает определение того, как свет взаимодействует с поверхностью в точке пересечения. Распространенные модели затенения включают:

• Затенение по Фонгу: Простая модель затенения, которая вычисляет диффузную и зеркальную составляющие света.
• Затенение по Блинну-Фонгу: Улучшение по сравнению с затенением по Фонгу, которое использует полувектор для расчета зеркальной составляющей.
• Физически корректный рендеринг (PBR): Более реалистичная модель затенения, которая учитывает физические свойства материалов.

Трассировка лучей позволяет создавать более продвинутые световые эффекты, чем растеризация, такие как глобальное освещение, отражения и преломления. Эти эффекты могут быть реализованы путем испускания дополнительных лучей из точки пересечения.

Пример: Расчет диффузного освещения

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

            

              
                Copy
              
            
          

Вопросы производительности и оптимизации

Трассировка лучей является вычислительно интенсивной, и достижение производительности в реальном времени в WebGL требует тщательной оптимизации. Вот некоторые ключевые техники:

• Структуры ускорения: Как упоминалось ранее, использование структур ускорения, таких как BVH, имеет решающее значение для сокращения количества тестов на пересечение.
• Раннее прерывание луча: Прерывайте лучи раньше, если они не вносят значительного вклада в конечное изображение. Например, теневые лучи можно прервать, как только они столкнутся с объектом.
• Адаптивная выборка: Используйте переменное количество выборок на пиксель в зависимости от сложности сцены. Регионы с высокой детализацией или сложным освещением могут быть отрендерены с большим количеством выборок.
• Шумоподавление: Используйте алгоритмы шумоподавления для уменьшения шума в отрендеренном изображении, что позволяет использовать меньше выборок на пиксель.
• Оптимизация вычислительного шейдера: Оптимизируйте код вычислительного шейдера, минимизируя доступ к памяти, используя векторные операции и избегая ветвлений.
• Настройка размера рабочей группы: Экспериментируйте с различными размерами рабочих групп, чтобы найти оптимальную конфигурацию для целевого GPU.
• Использование аппаратной трассировки лучей (если доступно): Некоторые GPU теперь предлагают специализированное оборудование для трассировки лучей. Проверяйте и используйте расширения, которые предоставляют эту функциональность в WebGL.

Глобальные примеры и приложения

Трассировка лучей в WebGL имеет множество потенциальных применений в различных отраслях по всему миру:

• Игры: Повышение визуального качества веб-игр с помощью реалистичного освещения, отражений и теней.
• Визуализация продуктов: Создание интерактивных 3D-моделей продуктов с фотореалистичным рендерингом для электронной коммерции и маркетинга. Например, мебельная компания в Швеции могла бы позволить клиентам визуализировать мебель в своих домах с точным освещением и отражениями.
• Архитектурная визуализация: Визуализация архитектурных проектов с реалистичным освещением и материалами. Архитектурная фирма в Дубае могла бы использовать трассировку лучей для демонстрации проектов зданий с точной симуляцией солнечного света и теней.
• Виртуальная реальность (VR) и дополненная реальность (AR): Улучшение реализма VR и AR-опыта за счет включения эффектов трассировки лучей. Например, музей в Лондоне мог бы предложить VR-тур с улучшенными визуальными деталями благодаря трассировке лучей.
• Научная визуализация: Визуализация сложных научных данных с помощью реалистичных техник рендеринга. Исследовательская лаборатория в Японии могла бы использовать трассировку лучей для визуализации молекулярных структур с точным освещением и тенями.
• Образование: Разработка интерактивных образовательных инструментов, демонстрирующих принципы оптики и переноса света.

Проблемы и будущие направления

Хотя трассировка лучей в реальном времени в WebGL становится все более осуществимой, остается несколько проблем:

• Производительность: Достижение высокой частоты кадров со сложными сценами все еще является проблемой.
• Сложность: Реализация полнофункционального трассировщика лучей требует значительных усилий в программировании.
• Аппаратная поддержка: Не все GPU поддерживают необходимые расширения для вычислительных шейдеров или аппаратной трассировки лучей.

Будущие направления для трассировки лучей в WebGL включают:

• Улучшенная аппаратная поддержка: По мере того как все больше GPU будут включать специализированное оборудование для трассировки лучей, производительность значительно улучшится.
• Стандартизированные API: Разработка стандартизированных API для аппаратной трассировки лучей в WebGL упростит процесс реализации.
• Продвинутые техники шумоподавления: Более сложные алгоритмы шумоподавления позволят получать изображения более высокого качества с меньшим количеством выборок.
• Интеграция с WebAssembly (Wasm): Использование WebAssembly для реализации вычислительно интенсивных частей трассировщика лучей может повысить производительность.

Заключение

Трассировка лучей в реальном времени в WebGL с использованием вычислительных шейдеров — это быстро развивающаяся область, способная революционизировать веб-графику. Понимая основы трассировки лучей, используя мощь вычислительных шейдеров и применяя методы оптимизации, разработчики могут создавать потрясающие визуальные впечатления, которые когда-то считались невозможными в веб-браузере. По мере того как аппаратное и программное обеспечение продолжает совершенствоваться, мы можем ожидать появления еще более впечатляющих применений трассировки лучей в вебе в ближайшие годы, доступных глобальной аудитории с любого устройства с современным браузером.

Это руководство предоставило всесторонний обзор концепций и техник, связанных с реализацией трассировки лучей в реальном времени в WebGL. Мы призываем разработчиков по всему миру экспериментировать с этими техниками и вносить свой вклад в развитие веб-графики.