Razširitve WebGL za sledenje žarkom: Sprostitev strojno pospešenega sledenja žarkom na spletu

Sledenje žarkom je bilo leta sveti gral računalniške grafike, ki je obljubljalo fotorealistične slike z natančno osvetlitvijo, odsevi in sencami. Čeprav je bilo zaradi svoje računske intenzivnosti tradicionalno rezervirano za upodabljanje brez povezave, so nedavni napredki v strojni opremi omogočili sledenje žarkom v realnem času. Zdaj, s prihodom razširitev WebGL za sledenje žarkom, je ta močna tehnologija pripravljena na revolucijo spletne grafike.

Kaj je sledenje žarkom?

Sledenje žarkom je tehnika upodabljanja, ki simulira, kako svetloba medsebojno deluje s predmeti v prizoru. Namesto rasterizacije poligonov sledenje žarkom sledi poti svetlobnih žarkov od kamere in jih sledi skozi prizor, dokler ne sekajo predmetov. Z izračunom barve in intenzivnosti vsakega žarka sledenje žarkom ustvarja slike z realistično osvetlitvijo, odsevi in sencami.

Za razliko od rasterizacije, ki te učinke približa, sledenje žarkom zagotavlja fizikalno natančnejšo predstavitev prenosa svetlobe, kar rezultira v osupljivih vizualnih podobah. Vendar pa ta natančnost prinaša znatne računske stroške, zaradi česar je sledenje žarkom v realnem času zahteven podvig.

Vzpon strojno pospešenega sledenja žarkom

Za premagovanje računskih omejitev tradicionalnega sledenja žarkom so proizvajalci grafičnih kartic razvili namensko strojno opremo za pospeševanje izračunov sledenja žarkom. Tehnologije, kot so NVIDIA RTX in serija AMD Radeon RX, vključujejo specializirana jedra za sledenje žarkom, ki znatno povečajo zmogljivost, kar omogoča sledenje žarkom v realnem času.

Ta strojni napredek je odprl pot novim tehnikam upodabljanja, ki izkoriščajo sledenje žarkom za doseganje doslej nevidene ravni realizma. Igre, simulacije in druge aplikacije zdaj vključujejo odseve, sence, globalno osvetlitev in drugo, ustvarjene s sledenjem žarkom, kar ustvarja poglobljene in vizualno osupljive izkušnje.

Razširitve WebGL za sledenje žarkom: Prenos sledenja žarkom na splet

WebGL, standardni API za upodabljanje interaktivne 2D in 3D grafike v spletnih brskalnikih, se je tradicionalno zanašal na rasterizacijo. Vendar pa je z uvedbo razširitev za sledenje žarkom WebGL zdaj sposoben izkoristiti moč strojno pospešenega sledenja žarkom. To odpira svet možnosti za spletno grafiko in omogoča razvijalcem, da ustvarijo bolj realistične in privlačne izkušnje neposredno v brskalniku.

Te razširitve zagotavljajo mehanizem za dostop do osnovne strojne opreme za sledenje žarkom prek JavaScripta in GLSL (OpenGL Shading Language), senčilnega jezika, ki ga uporablja WebGL. Z izkoriščanjem teh razširitev lahko razvijalci integrirajo sledenje žarkom v svoje spletne aplikacije in izkoristijo prednosti zmogljivosti namenske strojne opreme za sledenje žarkom.

Ključne razširitve WebGL za sledenje žarkom:

• GL_EXT_ray_tracing: Ta osrednja razširitev zagotavlja temelje za sledenje žarkom v WebGL, definira osnovne funkcije in podatkovne strukture za sledenje žarkom. Razvijalcem omogoča ustvarjanje pospeševalnih struktur, sprožanje žarkov in dostop do rezultatov sledenja žarkom.
• GL_EXT_acceleration_structure: Ta razširitev definira pospeševalne strukture, ki so hierarhične podatkovne strukture za učinkovito presekanje žarkov z geometrijo prizora. Gradnja in upravljanje pospeševalnih struktur je ključen korak pri sledenju žarkom, saj pomembno vpliva na zmogljivost.
• GL_EXT_ray_query: Ta razširitev zagotavlja mehanizem za poizvedovanje o rezultatih sledenja žarkom, kot so razdalja zadetka, geometrija zadetka in normala površine na točki preseka. Te informacije so ključne za izračune senčenja in osvetlitve.

Prednosti sledenja žarkom v WebGL

Uvedba razširitev za sledenje žarkom v WebGL prinaša več pomembnih prednosti:

• Izboljšana vizualna kakovost: Sledenje žarkom omogoča bolj realistično upodabljanje odsevov, senc in globalne osvetlitve, kar vodi do vizualno osupljivih in poglobljenih spletnih izkušenj.
• Izboljšana zmogljivost: Strojno pospešeno sledenje žarkom zagotavlja znatne izboljšave zmogljivosti v primerjavi s tradicionalnimi tehnikami, ki temeljijo na rasterizaciji, kar omogoča bolj zapletene in podrobne prizore.
• Nove ustvarjalne možnosti: Sledenje žarkom odpira nove ustvarjalne možnosti za spletne razvijalce, kar jim omogoča ustvarjanje inovativnih in vizualno prepričljivih aplikacij, ki so bile prej nemogoče.
• Združljivost med platformami: WebGL je medplatformni API, kar pomeni, da bodo aplikacije za sledenje žarkom, razvite z WebGL, delovale na kateri koli napravi z združljivim brskalnikom in strojno opremo.
• Dostopnost: WebGL zagotavlja priročno in dostopno platformo za uvajanje aplikacij za sledenje žarkom, saj lahko uporabniki do njih dostopajo preprosto prek spletnega brskalnika brez potrebe po namestitvi dodatne programske opreme.

Primeri uporabe sledenja žarkom v WebGL

Sledenje žarkom v WebGL ima širok spekter potencialnih uporab v različnih industrijah:

• Igre: Sledenje žarkom lahko izboljša vizualno zvestobo spletnih iger in ustvari bolj poglobljene in realistične igralne izkušnje. Predstavljajte si igranje prvoosebne strelske igre z odsevi in sencami, ustvarjenimi s sledenjem žarkom, ali raziskovanje virtualnega sveta z realistično globalno osvetlitvijo.
• Vizualizacija izdelkov: Sledenje žarkom se lahko uporablja za ustvarjanje realističnih upodobitev izdelkov, kar strankam omogoča, da si jih podrobno ogledajo pred nakupom. Na primer, prodajalec pohištva bi lahko uporabil sledenje žarkom za prikaz tekstur in osvetlitve svojih izdelkov v virtualnem razstavnem salonu.
• Arhitekturna vizualizacija: Arhitekti lahko uporabljajo sledenje žarkom za ustvarjanje realističnih vizualizacij zgradb in notranjosti, kar strankam omogoča podrobno raziskovanje njihovih načrtov. To lahko strankam pomaga bolje razumeti zasnovo in sprejeti informirane odločitve. Predstavljajte si raziskovanje virtualnega modela zgradbe z realistično osvetlitvijo in odsevi, kar vam omogoča, da doživite prostor, preden je sploh zgrajen.
• Navidezna resničnost (VR) in razširjena resničnost (AR): Sledenje žarkom lahko izboljša realizem izkušenj VR in AR ter ustvari bolj poglobljena in privlačna okolja. Na primer, sledenje žarkom bi se lahko uporabilo za ustvarjanje realističnih senc in odsevov v igri VR ali za natančno prekrivanje virtualnih predmetov na resnični svet v aplikaciji AR.
• Znanstvena vizualizacija: Sledenje žarkom se lahko uporablja za vizualizacijo zapletenih znanstvenih podatkov, kot so simulacije dinamike tekočin ali molekularnih struktur. To lahko znanstvenikom pomaga pri boljšem razumevanju njihovih podatkov in novih odkritjih.
• Izobraževanje: Sledenje žarkom se lahko uporablja za ustvarjanje interaktivnih izobraževalnih simulacij, ki študentom omogočajo raziskovanje zapletenih konceptov na vizualno privlačen način. Na primer, fizikalna simulacija bi lahko uporabila sledenje žarkom za natančno simulacijo obnašanja svetlobe, kar študentom omogoča vizualizacijo načel optike.

Tehnični vidiki

Čeprav sledenje žarkom v WebGL prinaša številne prednosti, je treba upoštevati tudi več tehničnih vidikov:

• Strojne zahteve: Sledenje žarkom zahteva namensko strojno opremo, kot so grafične kartice serije NVIDIA RTX ali AMD Radeon RX. Aplikacije, ki uporabljajo sledenje žarkom, ne bodo delovale ali bodo delovale slabo na sistemih brez te strojne opreme.
• Optimizacija zmogljivosti: Sledenje žarkom je lahko računsko intenzivno, zato je pomembno optimizirati prizor in kodo za sledenje žarkom, da se doseže dobra zmogljivost. To lahko vključuje uporabo tehnik, kot sta raven podrobnosti (LOD) in prilagodljivo vzorčenje.
• Upravljanje pospeševalnih struktur: Gradnja in upravljanje pospeševalnih struktur je ključnega pomena za zmogljivost sledenja žarkom. Razvijalci morajo skrbno pretehtati izbiro pospeševalne strukture in strategijo za njeno posodabljanje ob spremembah prizora.
• Kompleksnost senčilnikov: Senčilniki za sledenje žarkom so lahko zapleteni in zahtevajo dobro razumevanje GLSL in algoritmov za sledenje žarkom. Razvijalci se bodo morda morali naučiti novih tehnik za pisanje učinkovitih in uspešnih senčilnikov za sledenje žarkom.
• Odpravljanje napak: Odpravljanje napak v kodi za sledenje žarkom je lahko zahtevno, saj vključuje sledenje poti posameznih žarkov. Razvijalci bodo morda morali uporabiti specializirana orodja za odpravljanje napak, da bi prepoznali in odpravili napake.

Primer: Implementacija odsevov s sledenjem žarkom v WebGL

Oglejmo si poenostavljen primer, kako implementirati odseve, ustvarjene s sledenjem žarkom, v WebGL z uporabo razširitev za sledenje žarkom. Ta primer predpostavlja, da imate osnovni prizor WebGL, nastavljen s kamero, grafom prizora in sistemom materialov.

1. Ustvarite pospeševalno strukturo:

   Najprej morate ustvariti pospeševalno strukturo, ki predstavlja geometrijo prizora. To lahko storite z razširitvijo GL_EXT_acceleration_structure. Pospeševalna struktura bo uporabljena za učinkovito presekanje žarkov s prizorom.

2. Napišite senčilnik za generiranje žarkov:

   Nato morate napisati senčilnik za generiranje žarkov, ki bo sprožil žarke iz kamere. Ta senčilnik bo iteriral po slikovnih pikah na zaslonu in ustvaril žarek za vsako piko.

   Tukaj je poenostavljen primer senčilnika za generiranje žarkov:

               #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. Napišite senčilnik za najbližji zadetek:

   Napisati morate tudi senčilnik za najbližji zadetek, ki se bo izvedel, ko žarek seka predmet. Ta senčilnik bo izračunal barvo predmeta na točki preseka in jo vrnil kot vrednost zadetka.

   Tukaj je poenostavljen primer senčilnika za najbližji zadetek:

               #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. Zaženite cevovod za sledenje žarkom:

   Končno morate zagnati cevovod za sledenje žarkom. To vključuje povezovanje pospeševalne strukture, senčilnika za generiranje žarkov in senčilnika za najbližji zadetek, nato pa sprožitev izračunov sledenja žarkom.

5. Implementirajte odseve:

   V senčilniku za najbližji zadetek, namesto da preprosto vrnete barvo površine, izračunajte vektor odseva. Nato sprožite nov žarek v smeri odseva, da določite barvo odsevanega predmeta. To zahteva rekurzivno klicanje cevovoda za sledenje žarkom (znotraj omejitev, da se izognete neskončnim zankam) ali uporabo ločenega prehoda za odseve. Končna barva bo kombinacija barve površine in odsevane barve.

   To je poenostavljen primer in resnična implementacija bi vključevala bolj zapletene izračune, kot so obravnavanje večkratnih odbojev, vzorčenje različnih svetlobnih virov in uporaba glajenja robov. Ne pozabite imeti v mislih zmogljivosti, saj je sledenje žarkom lahko računsko drago.

Prihodnost sledenja žarkom v WebGL

Sledenje žarkom v WebGL je še vedno v zgodnji fazi, vendar ima potencial, da preoblikuje spletno grafiko. Ker strojno pospešeno sledenje žarkom postaja vse bolj dostopno, lahko pričakujemo, da bo vse več spletnih aplikacij vključevalo to tehnologijo. To bo vodilo do bolj realističnih in privlačnih spletnih izkušenj v širokem spektru industrij.

Poleg tega bodo nenehni razvoj in standardizacijski napori znotraj skupine Khronos Group, organizacije, odgovorne za WebGL, verjetno vodili do nadaljnjih izboljšav API-ja in povečanega sprejemanja s strani proizvajalcev brskalnikov. To bo sledenje žarkom naredilo bolj dostopno spletnim razvijalcem in pospešilo rast ekosistema sledenja žarkom v WebGL.

Prihodnost sledenja žarkom v WebGL je svetla in v prihodnjih letih lahko pričakujemo še bolj vznemirljive dogodke. Ko bo tehnologija dozorela, bo odklenila nove možnosti za spletno grafiko in ustvarila novo generacijo poglobljenih in vizualno osupljivih izkušenj.

Globalni vpliv in dostopnost

Pojav sledenja žarkom v WebGL ima potencial, da pomembno vpliva na globalno dostopnost do visokokakovostne grafike. Tradicionalne vrhunske grafične aplikacije pogosto zahtevajo specializirano strojno in programsko opremo, kar omejuje njihovo dostopnost posameznikom in organizacijam z zadostnimi sredstvi.

WebGL kot spletna tehnologija ponuja bolj demokratičen pristop. Dokler imajo uporabniki dostop do združljivega brskalnika in strojne opreme (vse pogostejše s sprejemanjem integrirane grafike, ki podpira sledenje žarkom), lahko izkusijo te napredne grafične zmožnosti. To je še posebej koristno v regijah z omejenim dostopom do vrhunske strojne opreme ali kjer so licence za specializirano programsko opremo stroškovno previsoke.

Poleg tega medplatformna narava WebGL zagotavlja, da lahko aplikacije delujejo na širokem spektru naprav, od namiznih in prenosnih računalnikov do mobilnih telefonov in tablic. To še dodatno širi doseg tehnologije sledenja žarkom in jo naredi dostopno širši globalni publiki.

Vendar pa je pomembno priznati možnost digitalnega razkoraka na podlagi strojnih zmožnosti. Čeprav strojna oprema, ki podpira sledenje žarkom, postaja vse bolj razširjena, še vedno ni univerzalno dostopna. Razvijalci bi si morali prizadevati za ustvarjanje aplikacij, ki so prilagodljive in se lahko prilagodijo različnim strojnim konfiguracijam, s čimer bi zagotovili, da imajo tudi uporabniki z manj zmogljivimi napravami pozitivno izkušnjo.

Zaključek

Razširitve WebGL za sledenje žarkom predstavljajo pomemben korak naprej v evoluciji spletne grafike. S tem, ko prinašajo strojno pospešeno sledenje žarkom v spletne brskalnike, te razširitve odpirajo svet možnosti za ustvarjanje bolj realističnih, privlačnih in poglobljenih izkušenj. Čeprav je treba upoštevati tehnične vidike, so prednosti sledenja žarkom v WebGL nesporne in lahko pričakujemo, da bo igralo vse pomembnejšo vlogo v prihodnosti spleta.

Ko bo tehnologija dozorela in postala širše sprejeta, bo spletnim razvijalcem omogočila ustvarjanje inovativnih in vizualno osupljivih aplikacij, ki so bile prej nepredstavljive. Prihodnost spletne grafike je svetla in sledenje žarkom v WebGL je pripravljeno, da bo ključni gonilnik te evolucije.