WebGL Ray Tracing-tillägg: Frigör hårdvaruaccelererad ray tracing på webben

I åratal har ray tracing varit den heliga graalen inom datorgrafik, med löften om fotorealistiska bilder med korrekt belysning, reflektioner och skuggor. Även om det traditionellt har varit förbehållet offline-rendering på grund av sin beräkningsintensitet, har de senaste framstegen inom hårdvara gjort ray tracing i realtid till en verklighet. Nu, med ankomsten av WebGL ray tracing-tillägg, är denna kraftfulla teknik redo att revolutionera webbaserad grafik.

Vad är Ray Tracing?

Ray tracing är en renderingsteknik som simulerar hur ljus interagerar med objekt i en scen. Istället för att rasterisera polygoner följer ray tracing ljusstrålarnas väg från kameran och spårar dem genom scenen tills de skär objekt. Genom att beräkna färgen och intensiteten för varje stråle producerar ray tracing bilder med realistisk belysning, reflektioner och skuggor.

Till skillnad från rasterisering, som approximerar dessa effekter, ger ray tracing en mer fysiskt korrekt representation av ljustransport, vilket resulterar i fantastiska visuella effekter. Denna noggrannhet kommer dock med en betydande beräkningskostnad, vilket gör ray tracing i realtid till en utmanande bedrift.

Framväxten av hårdvaruaccelererad ray tracing

För att övervinna de beräkningsmässiga begränsningarna med traditionell ray tracing har grafikkortstillverkare utvecklat dedikerad hårdvara för att accelerera ray tracing-beräkningar. Teknologier som NVIDIA:s RTX och AMD:s Radeon RX-serie innehåller specialiserade ray tracing-kärnor som avsevärt ökar prestandan, vilket gör ray tracing i realtid möjlig.

Dessa hårdvaruframsteg har banat väg för nya renderingstekniker som utnyttjar ray tracing för att uppnå oöverträffade nivåer av realism. Spel, simuleringar och andra applikationer införlivar nu strålspårade reflektioner, skuggor, global belysning och mer, vilket skapar uppslukande och visuellt fantastiska upplevelser.

WebGL Ray Tracing-tillägg: Tar ray tracing till webben

WebGL, standard-API:et för att rendera interaktiv 2D- och 3D-grafik i webbläsare, har traditionellt förlitat sig på rasterisering. Men med introduktionen av ray tracing-tillägg kan WebGL nu utnyttja kraften i hårdvaruaccelererad ray tracing. Detta öppnar upp en värld av möjligheter för webbaserad grafik, vilket gör det möjligt för utvecklare att skapa mer realistiska och engagerande upplevelser direkt i webbläsaren.

Dessa tillägg ger en mekanism för att komma åt den underliggande ray tracing-hårdvaran via JavaScript och GLSL (OpenGL Shading Language), det skuggningsspråk som används av WebGL. Genom att utnyttja dessa tillägg kan utvecklare integrera ray tracing i sina webbapplikationer och dra nytta av prestandafördelarna med dedikerad ray tracing-hårdvara.

Viktiga WebGL Ray Tracing-tillägg:

• GL_EXT_ray_tracing: Detta kärntillägg utgör grunden för ray tracing i WebGL och definierar de grundläggande ray tracing-funktionerna och datastrukturerna. Det gör det möjligt för utvecklare att skapa accelerationsstrukturer, skjuta strålar och komma åt ray tracing-resultat.
• GL_EXT_acceleration_structure: Detta tillägg definierar accelerationsstrukturer, som är hierarkiska datastrukturer som används för att effektivt skära strålar med scengeometrin. Att bygga och hantera accelerationsstrukturer är ett avgörande steg i ray tracing, eftersom det avsevärt påverkar prestandan.
• GL_EXT_ray_query: Detta tillägg tillhandahåller en mekanism för att fråga ray tracing-resultaten, såsom träffavstånd, träffgeometri och ytans normal vid skärningspunkten. Denna information är väsentlig för skuggnings- och belysningsberäkningar.

Fördelar med WebGL Ray Tracing

Introduktionen av ray tracing-tillägg till WebGL erbjuder flera betydande fördelar:

• Förbättrad visuell kvalitet: Ray tracing möjliggör mer realistisk rendering av reflektioner, skuggor och global belysning, vilket leder till visuellt fantastiska och uppslukande webbupplevelser.
• Förbättrad prestanda: Hårdvaruaccelererad ray tracing ger betydande prestandavinster jämfört med traditionella rasteriseringsbaserade tekniker, vilket möjliggör mer komplexa och detaljerade scener.
• Nya kreativa möjligheter: Ray tracing öppnar upp nya kreativa möjligheter för webbutvecklare och gör det möjligt för dem att skapa innovativa och visuellt övertygande applikationer som tidigare var omöjliga.
• Plattformsoberoende kompatibilitet: WebGL är ett plattformsoberoende API, vilket innebär att ray tracing-applikationer som utvecklats med WebGL kommer att köras på alla enheter med en kompatibel webbläsare och hårdvara.
• Tillgänglighet: WebGL erbjuder en bekväm och tillgänglig plattform för att distribuera ray tracing-applikationer, eftersom användare helt enkelt kan komma åt dem via en webbläsare utan att behöva installera någon ytterligare programvara.

Användningsområden för WebGL Ray Tracing

WebGL ray tracing har ett brett spektrum av potentiella tillämpningar inom olika branscher:

• Spel: Ray tracing kan förbättra den visuella kvaliteten i webbaserade spel och skapa mer uppslukande och realistiska spelupplevelser. Föreställ dig att spela ett förstapersonsskjutspel med strålspårade reflektioner och skuggor, eller att utforska en virtuell värld med realistisk global belysning.
• Produktvisualisering: Ray tracing kan användas för att skapa realistiska renderingar av produkter, vilket gör att kunder kan visualisera dem i detalj innan de gör ett köp. Till exempel kan en möbelhandlare använda ray tracing för att visa texturer och belysning av sina produkter i ett virtuellt showroom.
• Arkitektonisk visualisering: Arkitekter kan använda ray tracing för att skapa realistiska visualiseringar av byggnader och interiörer, vilket gör att kunder kan utforska deras design i detalj. Detta kan hjälpa kunder att bättre förstå designen och fatta välgrundade beslut. Föreställ dig att utforska en virtuell modell av en byggnad med realistisk belysning och reflektioner, vilket gör att du kan uppleva utrymmet innan det ens är byggt.
• Virtual Reality (VR) och Augmented Reality (AR): Ray tracing kan förbättra realismen i VR- och AR-upplevelser och skapa mer uppslukande och engagerande miljöer. Till exempel kan ray tracing användas för att skapa realistiska skuggor och reflektioner i ett VR-spel, eller för att korrekt lägga över virtuella objekt på den verkliga världen i en AR-applikation.
• Vetenskaplig visualisering: Ray tracing kan användas för att visualisera komplexa vetenskapliga data, såsom simuleringar av fluiddynamik eller molekylära strukturer. Detta kan hjälpa forskare att få en bättre förståelse för sina data och göra nya upptäckter.
• Utbildning: Ray tracing kan användas för att skapa interaktiva utbildningssimuleringar, vilket gör att studenter kan utforska komplexa koncept på ett visuellt engagerande sätt. Till exempel kan en fysiksimulering använda ray tracing för att korrekt simulera ljusets beteende, vilket gör att studenter kan visualisera optikens principer.

Tekniska överväganden

Även om WebGL ray tracing erbjuder många fördelar finns det också flera tekniska överväganden att ha i åtanke:

• Hårdvarukrav: Ray tracing kräver dedikerad hårdvara, såsom NVIDIA RTX- eller AMD Radeon RX-seriens GPU:er. Applikationer som använder ray tracing kommer inte att köras, eller kommer att köras dåligt, på system utan denna hårdvara.
• Prestandaoptimering: Ray tracing kan vara beräkningsintensivt, så det är viktigt att optimera scenen och ray tracing-koden för att uppnå bra prestanda. Detta kan innebära att man använder tekniker som detaljnivå (LOD) och adaptiv sampling.
• Hantering av accelerationsstruktur: Att bygga och hantera accelerationsstrukturer är avgörande för ray tracing-prestanda. Utvecklare måste noggrant överväga valet av accelerationsstruktur och strategin för att uppdatera den när scenen förändras.
• Shader-komplexitet: Ray tracing-shaders kan vara komplexa och kräver en god förståelse för GLSL och ray tracing-algoritmer. Utvecklare kan behöva lära sig nya tekniker för att skriva effektiva och ändamålsenliga ray tracing-shaders.
• Felsökning: Felsökning av ray tracing-kod kan vara utmanande, eftersom det innebär att spåra vägarna för enskilda strålar. Utvecklare kan behöva använda specialiserade felsökningsverktyg för att identifiera och åtgärda fel.

Exempel: Implementera strålspårade reflektioner i WebGL

Låt oss titta på ett förenklat exempel på hur man implementerar strålspårade reflektioner i WebGL med hjälp av ray tracing-tilläggen. Detta exempel förutsätter att du har en grundläggande WebGL-scen uppsatt med en kamera, en scengraf och ett materialsystem.

1. Skapa en accelerationsstruktur:

   Först måste du skapa en accelerationsstruktur som representerar scengeometrin. Detta kan göras med hjälp av tillägget GL_EXT_acceleration_structure. Accelerationsstrukturen kommer att användas för att effektivt skära strålar med scenen.

2. Skriv en strålgenererings-shader:

   Därefter måste du skriva en strålgenererings-shader som kommer att skjuta strålar från kameran. Denna shader kommer att iterera över pixlarna på skärmen och generera en stråle för varje pixel.

   Här är ett förenklat exempel på en strålgenererings-shader:

               #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. Skriv en närmaste träff-shader:

   Du måste också skriva en närmaste träff-shader som kommer att exekveras när en stråle skär ett objekt. Denna shader kommer att beräkna färgen på objektet vid skärningspunkten och returnera den som träffvärdet.

   Här är ett förenklat exempel på en närmaste träff-shader:

               #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. Starta ray tracing-pipelinen:

   Slutligen måste du starta ray tracing-pipelinen. Detta innebär att binda accelerationsstrukturen, strålgenererings-shadern och den närmaste träff-shadern, och sedan skicka iväg ray tracing-beräkningarna.

5. Implementera reflektioner:

   I den närmaste träff-shadern, istället för att bara returnera ytans färg, beräkna reflektionsvektorn. Skjut sedan en ny stråle i reflektionsriktningen för att bestämma färgen på det reflekterade objektet. Detta kräver att man anropar ray tracing-pipelinen rekursivt (inom gränser för att undvika oändliga loopar) eller använder en separat pass för reflektioner. Den slutliga färgen kommer att vara en kombination av ytans färg och den reflekterade färgen.

   Detta är ett förenklat exempel, och en verklig implementering skulle involvera mer komplexa beräkningar, såsom att hantera flera studsar, sampla olika ljuskällor och tillämpa kantutjämning. Kom ihåg att ha prestanda i åtanke eftersom ray tracing kan vara beräkningsmässigt dyrt.

Framtiden för WebGL Ray Tracing

WebGL ray tracing är fortfarande i ett tidigt skede, men det har potential att omvandla webbaserad grafik. I takt med att hårdvaruaccelererad ray tracing blir mer allmänt tillgänglig kan vi förvänta oss att se fler och fler webbapplikationer som införlivar denna teknik. Detta kommer att leda till mer realistiska och engagerande webbupplevelser inom ett brett spektrum av branscher.

Dessutom kommer pågående utvecklings- och standardiseringsinsatser inom Khronos Group, organisationen som ansvarar för WebGL, sannolikt att leda till ytterligare förbättringar i API:et och ökad adoption av webbläsarleverantörer. Detta kommer att göra ray tracing mer tillgängligt för webbutvecklare och påskynda tillväxten av WebGL ray tracing-ekosystemet.

Framtiden för WebGL ray tracing är ljus, och vi kan förvänta oss att se ännu mer spännande utvecklingar under de kommande åren. När tekniken mognar kommer den att låsa upp nya möjligheter för webbaserad grafik och skapa en ny generation av uppslukande och visuellt fantastiska upplevelser.

Global påverkan och tillgänglighet

Framväxten av WebGL ray tracing har potential att avsevärt påverka den globala tillgången till högkvalitativ grafik. Traditionella högpresterande grafikapplikationer kräver ofta specialiserad hårdvara och mjukvara, vilket begränsar deras tillgänglighet för individer och organisationer med tillräckliga resurser.

WebGL, som är en webbaserad teknik, erbjuder en mer demokratiserad strategi. Så länge användare har tillgång till en kompatibel webbläsare och hårdvara (vilket blir allt vanligare med införandet av ray tracing-kapabel integrerad grafik), kan de uppleva dessa avancerade grafikmöjligheter. Detta är särskilt fördelaktigt i regioner med begränsad tillgång till avancerad hårdvara eller där specialiserade programvarulicenser är oöverkomligt dyra.

Dessutom säkerställer WebGL:s plattformsoberoende natur att applikationer kan köras på ett brett utbud av enheter, från stationära och bärbara datorer till mobiltelefoner och surfplattor. Detta breddar ytterligare räckvidden för ray tracing-tekniken och gör den tillgänglig för en bredare global publik.

Det är dock viktigt att erkänna potentialen för en digital klyfta baserad på hårdvarukapacitet. Även om ray tracing-kapabel hårdvara blir allt vanligare, är den fortfarande inte universellt tillgänglig. Utvecklare bör sträva efter att skapa applikationer som är skalbara och kan anpassas till olika hårdvarukonfigurationer, för att säkerställa att användare med mindre kraftfulla enheter fortfarande kan få en positiv upplevelse.

Slutsats

WebGL ray tracing-tillägg representerar ett betydande steg framåt i utvecklingen av webbaserad grafik. Genom att föra hårdvaruaccelererad ray tracing till webbläsare öppnar dessa tillägg upp en värld av möjligheter för att skapa mer realistiska, engagerande och uppslukande upplevelser. Även om det finns tekniska överväganden att ha i åtanke, är fördelarna med WebGL ray tracing obestridliga, och vi kan förvänta oss att se det spela en allt viktigare roll i webbens framtid.

När tekniken mognar och blir mer allmänt antagen kommer den att ge webbutvecklare möjlighet att skapa innovativa och visuellt fantastiska applikationer som tidigare var otänkbara. Framtiden för webbgrafik är ljus, och WebGL ray tracing är redo att vara en nyckeldrivkraft i den utvecklingen.