Akceleračná štruktúra pre Raytracing vo WebGL: Organizácia priestorových dát pre globálne 3D aplikácie

Raytracing je výkonná renderovacia technika, ktorá simuluje správanie svetla v reálnom svete. Vytvára fotorealistické obrázky sledovaním dráhy svetelných lúčov cez scénu. Hoci raytracing ponúka vynikajúcu vizuálnu kvalitu, je výpočtovo náročný. Na dosiahnutie snímkovej frekvencie v reálnom čase alebo interaktívnej snímkovej frekvencie, najmä v aplikáciách WebGL založených na prehliadači, sú nevyhnutné akceleračné štruktúry. Tento článok skúma základné koncepty akceleračných štruktúr používaných v raytracingu vo WebGL, so zameraním na organizáciu priestorových dát a jej vplyv na výkon.

Potreba akceleračných štruktúr

Bez akceleračných štruktúr zahŕňa raytracing priesečník každého lúča s každým objektom v scéne. Tento prístup hrubou silou vedie ku komplexnosti O(n) pre každý lúč, kde 'n' je počet primitív (trojuholníky, gule, atď.) v scéne. Pre komplexné scény s miliónmi primitív sa to stáva neúnosne nákladným.

Akceleračné štruktúry tento problém zmierňujú organizovaním geometrie scény spôsobom, ktorý nám umožňuje rýchlo vylúčiť veľké časti scény, u ktorých je nepravdepodobné, že by sa s daným lúčom pretli. Znižujú počet testov priesečníka lúč-primitíva, čím dramaticky zlepšujú výkon renderovania. Predstavte si, že hľadáte konkrétnu knihu v knižnici. Bez indexu (akceleračnej štruktúry) by ste museli skontrolovať každú knihu na každej polici. Index vám umožňuje rýchlo nájsť príslušnú sekciu a efektívne nájsť knihu. Akceleračné štruktúry slúžia v raytracingu na podobný účel.

Bežné akceleračné štruktúry

V raytracingu sa bežne používa niekoľko typov akceleračných štruktúr. Najrozšírenejšou je Bounding Volume Hierarchy (BVH), ale používajú sa aj iné, ako napríklad k-d stromy a jednotné mriežky. Tento článok sa zameriava na BVH kvôli ich flexibilite a efektívnosti pri spracovaní rôznorodých scén.

Bounding Volume Hierarchy (BVH)

BVH je dátová štruktúra podobná stromu, kde každý uzol predstavuje ohraničujúci objem, ktorý obklopuje množinu primitív. Koreňový uzol obklopuje celú scénu a každý vnútorný uzol obklopuje podmnožinu geometrie scény. Listové uzly obsahujú odkazy na samotné primitíva (napr. trojuholníky).

Základným princípom BVH je testovanie lúča proti ohraničujúcemu objemu uzla. Ak sa lúč nepretína s ohraničujúcim objemom, nemôže sa pretnúť so žiadnymi primitívami obsiahnutými v tomto uzle a môžeme preskočiť prechádzanie podstromu. Ak sa lúč pretína s ohraničujúcim objemom, rekurzívne prechádzame podradené uzly, kým nedosihneme listové uzly, kde vykonávame testy priesečníka lúč-primitíva.

Konštrukcia BVH:

Konštrukcia BVH je kľúčovým krokom, ktorý výrazne ovplyvňuje jeho výkon. Dobre skonštruovaný BVH minimalizuje počet testov priesečníka lúč-ohraničujúci objem. Existujú dva hlavné prístupy ku konštrukcii BVH: zhora nadol a zdola nahor.

• Konštrukcia zhora nadol: Tento prístup začína s koreňovým uzlom a rekurzívne ho rozdeľuje, kým sa nesplnia určité ukončovacie kritériá. Proces delenia zvyčajne zahŕňa výber deliacej roviny, ktorá rozdelí primitíva do dvoch skupín. Výber deliacej roviny je kritický. Bežné stratégie zahŕňajú:
• Rozdelenie podľa priestorového mediánu: Rozdeľuje primitíva na základe ich priestorovej polohy pozdĺž osi (napr. X, Y alebo Z). Je to jednoduchá a rýchla metóda, ale nemusí vždy viesť k vyváženým stromom.
• Rozdelenie podľa mediánu objektov: Rozdeľuje primitíva na základe mediánu ich ťažisk. Často produkuje lepšie vyvážené stromy ako rozdelenie podľa priestorového mediánu.
• Heuristika povrchovej plochy (SAH): Toto je sofistikovanejší prístup, ktorý odhaduje náklady na prechádzanie stromu na základe povrchovej plochy ohraničujúcich objemov. SAH sa snaží minimalizovať očakávané náklady na prechádzanie výberom deliacej roviny, ktorá vedie k najnižším celkovým nákladom. SAH všeobecne produkuje najefektívnejšie BVH, ale je tiež výpočtovo najnáročnejší na zostavenie.
• Konštrukcia zdola nahor: Tento prístup začína s jednotlivými primitívami ako listovými uzlami a iteratívne ich zlučuje do väčších ohraničujúcich objemov, kým sa nevytvorí jediný koreňový uzol. Toto je menej bežné pre raytracingové BVH, ale môže byť užitočné v dynamických scénach, kde sa geometria často mení.

Ukončovacie kritériá:

Proces delenia pokračuje, kým sa nesplní ukončovacie kritérium. Bežné ukončovacie kritériá zahŕňajú:

• Maximálna hĺbka stromu: Obmedzuje hĺbku stromu, aby sa predišlo nadmernému využitiu pamäte alebo réžii pri prechádzaní.
• Minimálny počet primitív na uzol: Zastaví delenie uzla, keď obsahuje malý počet primitív. Typická hodnota je 1-4 primitíva.
• Prahová hodnota nákladov: Zastaví delenie uzla, keď odhadované náklady na ďalšie delenie prekročia určitý prah.

Prechádzanie BVH:

Algoritmus prechádzania BVH je rekurzívny proces, ktorý efektívne určuje, ktoré primitíva v scéne sú preťaté daným lúčom. Algoritmus začína v koreňovom uzle a postupuje nasledovne:

1. Testuje lúč proti ohraničujúcemu objemu aktuálneho uzla.
2. Ak lúč nepretína ohraničujúci objem, prechádzanie sa pre daný uzol a jeho podstrom zastaví.
3. Ak lúč pretína ohraničujúci objem, algoritmus rekurzívne prechádza podradené uzly.
4. Keď sa dosiahne listový uzol, algoritmus vykoná testy priesečníka lúč-primitíva pre každé primitívum obsiahnuté v listovom uzle.

Techniky organizácie priestorových dát

Spôsob, akým sú dáta organizované v rámci akceleračnej štruktúry, výrazne ovplyvňuje jej výkon. Na optimalizáciu organizácie priestorových dát sa používa niekoľko techník:

Tesnosť ohraničujúceho objemu

Tesnejšie ohraničujúce objemy znižujú pravdepodobnosť falošne pozitívnych výsledkov počas testov priesečníka lúč-ohraničujúci objem. Tesný ohraničujúci objem tesne prilieha k obklopenej geometrii, čím minimalizuje prázdny priestor okolo nej. Bežné typy ohraničujúcich objemov zahŕňajú:

• Osovo zarovnané ohraničujúce kvádre (AABB): AABB sú najbežnejším typom ohraničujúceho objemu vďaka svojej jednoduchosti a efektívnosti. Sú definované svojimi minimálnymi a maximálnymi súradnicami pozdĺž každej osi. AABB sa ľahko konštruujú a testujú na priesečník s lúčmi.
• Orientované ohraničujúce kvádre (OBB): OBB sú tesnejšie ako AABB, najmä pre objekty, ktoré nie sú zarovnané so súradnicovými osami. Avšak, OBB sú nákladnejšie na konštrukciu a testovanie priesečníkov s lúčmi.
• Gule: Gule sa jednoducho konštruujú a testujú na priesečník s lúčmi, ale nemusia byť vhodné pre všetky typy geometrie.

Výber vhodného typu ohraničujúceho objemu závisí od konkrétnej aplikácie a kompromisu medzi tesnosťou a výkonom.

Usporiadanie uzlov a rozloženie v pamäti

Poradie, v ktorom sú uzly uložené v pamäti, môže výrazne ovplyvniť koherenciu vyrovnávacej pamäte (cache) a výkon prechádzania. Ukladanie uzlov, ku ktorým sa pravdepodobne pristupuje spoločne, do súvislých pamäťových miest môže zlepšiť využitie cache a znížiť latenciu prístupu do pamäte.

Bežné techniky usporiadania uzlov zahŕňajú:

• Usporiadanie do hĺbky (Depth-First Ordering): Uzly sú uložené v poradí, v akom sú navštívené počas prechádzania stromu do hĺbky. Tento prístup môže zlepšiť koherenciu cache pre lúče, ktoré prechádzajú dlhou cestou stromom.
• Usporiadanie do šírky (Breadth-First Ordering): Uzly sú uložené v poradí, v akom sú navštívené počas prechádzania stromu do šírky. Tento prístup môže zlepšiť koherenciu cache pre lúče, ktoré pretínajú veľký počet uzlov na rovnakej úrovni stromu.
• Linearizácia: BVH sa linearizuje do plochého poľa, často s použitím Mortonovho kódu alebo podobnej priestor vypĺňajúcej krivky. To môže zlepšiť koherenciu cache a umožniť efektívne prechádzanie na GPU.

Optimálna technika usporiadania uzlov závisí od konkrétnej hardvérovej architektúry a charakteristík scény.

Usporiadanie primitív

Poradie, v ktorom sú primitíva uložené v listových uzloch, môže tiež ovplyvniť výkon. Zoskupovanie priestorovo koherentných primitív môže zlepšiť koherenciu cache a znížiť počet zlyhaní cache (cache misses) počas testov priesečníka lúč-primitíva. Na usporiadanie primitív na základe ich priestorovej polohy sa môžu použiť techniky ako priestor vypĺňajúce krivky (napr. Mortonovho poriadku).

Špecifiká WebGL

Implementácia raytracingu a akceleračných štruktúr vo WebGL predstavuje jedinečné výzvy a úvahy:

Prenos dát a správa pamäte

Prenos veľkého množstva dát (napr. dáta vrcholov, uzly BVH) z JavaScriptu na GPU môže byť úzkym hrdlom. Efektívne techniky prenosu dát sú kľúčové pre dosiahnutie dobrého výkonu. Používanie typovaných polí (napr. Float32Array, Uint32Array) a minimalizácia počtu prenosov dát môže pomôcť znížiť réžiu.

Správa pamäte je tiež dôležitá, najmä pre veľké scény. WebGL má obmedzené pamäťové zdroje a je nevyhnutné efektívne alokovať a uvoľňovať pamäť, aby sa predišlo chybám nedostatku pamäte.

Výkon shaderov

Logika raytracingu a prechádzania BVH sa zvyčajne implementuje v shadroch (napr. GLSL). Optimalizácia kódu shaderov je kľúčová pre dosiahnutie dobrého výkonu. To zahŕňa minimalizáciu počtu inštrukcií, používanie efektívnych dátových typov a vyhýbanie sa vetveniu.

Príklad: Namiesto použitia všeobecného príkazu `if` na kontrolu priesečníka lúč-AABB, použite optimalizovaný algoritmus priesečníka dosiek (slab intersection algorithm) pre lepší výkon. Algoritmus priesečníka dosiek je špeciálne navrhnutý pre AABB a môže byť implementovaný s menším počtom inštrukcií.

Asynchrónne operácie

Budovanie akceleračnej štruktúry môže byť časovo náročný proces, najmä pre veľké scény. Vykonávanie tejto operácie asynchrónne (napr. pomocou Web Workers) môže zabrániť tomu, aby prehliadač prestal reagovať. Hlavné vlákno môže pokračovať v renderovaní scény, zatiaľ čo akceleračná štruktúra sa buduje na pozadí.

WebGPU

Nástup WebGPU prináša priamejšiu kontrolu nad GPU, čo otvára možnosti pre sofistikovanejšie implementácie raytracingu. S funkciami ako compute shadery môžu vývojári efektívnejšie spravovať pamäť a implementovať vlastné akceleračné štruktúry. To vedie k zlepšenému výkonu v porovnaní s tradičným WebGL.

Príklady globálnych aplikácií

Raytracing vo WebGL, akcelerovaný efektívnou organizáciou priestorových dát, otvára nové možnosti pre rôzne globálne aplikácie:

• Interaktívne konfigurátory produktov: Umožnite zákazníkom z celého sveta prispôsobovať si produkty (napr. nábytok, autá) v reálnom čase s fotorealistickým renderovaním. Predstavte si európsku nábytkársku spoločnosť, ktorá umožňuje používateľom v Ázii vizualizovať, ako bude pohovka vyzerať v ich obývačke s rôznymi látkami a svetelnými podmienkami, všetko v rámci webového prehliadača.
• Architektonická vizualizácia: Umožnite architektom a dizajnérom po celom svete vytvárať a skúmať realistické renderovanie budov a interiérov v prehliadači. Dizajnérska firma v Austrálii by mohla spolupracovať s klientmi v Severnej Amerike na projekte budovy, využívajúc WebGL raytracing na vizualizáciu zmien dizajnu v reálnom čase.
• Vedecká vizualizácia: Vizualizujte komplexné vedecké dátové súbory (napr. lekárske skeny, klimatické modely) v 3D s vysokou vizuálnou vernosťou. Výskumníci po celom svete môžu spoločne analyzovať dáta prostredníctvom detailných raytracovaných vizuálov.
• Hry a zábava: Vytvárajte pohlcujúce herné zážitky s realistickým osvetlením a tieňmi, prístupné hráčom po celom svete prostredníctvom ich webových prehliadačov.
• E-commerce: Vylepšite zážitok z online nakupovania poskytovaním realistických vizualizácií produktov. Napríklad, klenotníctvo v Hongkongu môže ukázať brilantnosť a odlesky svojich diamantov s raytracovaným renderovaním, čo umožní potenciálnym kupujúcim po celom svete oceniť kvalitu drahokamov.

Praktické rady a osvedčené postupy

• Vyberte správnu akceleračnú štruktúru: Pri výbere akceleračnej štruktúry zvážte charakteristiky vašej scény (napr. statická vs. dynamická, počet primitív). BVH sú vo všeobecnosti dobrou voľbou pre väčšinu scén, ale iné štruktúry ako k-d stromy alebo jednotné mriežky môžu byť vhodnejšie pre špecifické prípady použitia.
• Optimalizujte konštrukciu BVH: Použite SAH pre vysoko kvalitné BVH, ale zvážte jednoduchšie stratégie delenia ako priestorový medián alebo medián objektov pre rýchlejšie časy budovania, najmä v dynamických scénach.
• Používajte tesné ohraničujúce objemy: Vyberte typ ohraničujúceho objemu, ktorý tesne prilieha ku geometrii, aby ste znížili počet falošne pozitívnych výsledkov počas testov priesečníka lúč-ohraničujúci objem.
• Optimalizujte usporiadanie uzlov: Experimentujte s rôznymi technikami usporiadania uzlov (napr. do hĺbky, do šírky, linearizácia), aby ste zlepšili koherenciu cache a výkon prechádzania.
• Minimalizujte prenosy dát: Používajte typované polia a minimalizujte počet prenosov dát medzi JavaScriptom a GPU.
• Optimalizujte kód shaderov: Minimalizujte počet inštrukcií, používajte efektívne dátové typy a vyhýbajte sa vetveniu vo vašich shadroch.
• Používajte asynchrónne operácie: Vykonávajte konštrukciu BVH a iné časovo náročné operácie asynchrónne, aby prehliadač neprestal reagovať.
• Využite WebGPU: Preskúmajte možnosti WebGPU pre efektívnejšiu správu pamäte a implementácie vlastných akceleračných štruktúr.
• Profilujte a benchmarkujte: Pravidelne profilujte a benchmarkujte svoj kód, aby ste identifikovali výkonnostné úzke hrdlá a podľa toho optimalizovali. Používajte vývojárske nástroje prehliadača na analýzu snímkovej frekvencie, využitia pamäte a výkonu shaderov.

Záver

Akceleračné štruktúry sú nevyhnutné na dosiahnutie výkonu raytracingu v reálnom čase vo WebGL. Efektívnou organizáciou priestorových dát tieto štruktúry znižujú počet testov priesečníka lúč-primitíva a umožňujú renderovanie komplexných 3D scén. Porozumenie rôznym typom akceleračných štruktúr, technikám organizácie priestorových dát a špecifikám WebGL je kľúčové pre vývoj vysokovýkonných, globálne prístupných raytracingových aplikácií. Ako sa WebGPU bude naďalej vyvíjať, možnosti raytracingu v prehliadači sa budú ďalej rozširovať, čo umožní nové a vzrušujúce aplikácie v rôznych odvetviach.