WebGL Raytracing: Strålspårning i realtid med WebGL Compute Shaders

Strålspårning (ray tracing), en renderingsteknik känd för sina fotorealistiska bilder, har traditionellt varit beräkningsintensiv och reserverad för offline-renderingsprocesser. Men framsteg inom GPU-teknik och införandet av compute shaders har öppnat dörren för strålspårning i realtid inom WebGL, vilket ger högkvalitativ grafik till webbaserade applikationer. Denna artikel ger en omfattande guide till att implementera strålspårning i realtid med hjälp av compute shaders i WebGL, riktad till en global publik av utvecklare som är intresserade av att tänja på gränserna för webbgrafik.

Vad är strålspårning?

Strålspårning simulerar hur ljus färdas i den verkliga världen. Istället för att rasterisera polygoner, kastar strålspårning strålar från kameran (eller ögat) genom varje pixel på skärmen och in i scenen. Dessa strålar korsar objekt, och baserat på dessa objekts materialegenskaper bestäms pixelns färg genom att beräkna hur ljus studsar och interagerar med ytan. Denna process kan inkludera reflektioner, refraktioner och skuggor, vilket resulterar i mycket realistiska bilder.

Nyckelkoncept inom strålspårning:

• Strålkastning (Ray Casting): Processen att skjuta strålar från kameran in i scenen.
• Korsningstester: Avgör var en stråle korsar objekt i scenen.
• Ytnormaler: Vektorer vinkelräta mot ytan vid korsningspunkten, som används för att beräkna reflektion och refraktion.
• Materialegenskaper: Definierar hur en yta interagerar med ljus (t.ex. färg, reflektivitet, råhet).
• Skuggstrålar: Strålar som kastas från korsningspunkten till ljuskällor för att avgöra om punkten är i skugga.
• Reflektions- och refraktionsstrålar: Strålar som kastas från korsningspunkten för att simulera reflektioner och refraktioner.

Varför WebGL och Compute Shaders?

WebGL tillhandahåller ett plattformsoberoende API för att rendera 2D- och 3D-grafik i en webbläsare utan användning av insticksprogram. Compute shaders, som introducerades med WebGL 2.0, möjliggör allmänna beräkningar på GPU:n. Detta gör att vi kan utnyttja GPU:ns parallella processorkraft för att utföra strålspårningsberäkningar effektivt.

Fördelar med att använda WebGL för strålspårning:

• Plattformsoberoende kompatibilitet: WebGL fungerar i alla moderna webbläsare, oavsett operativsystem.
• Hårdvaruacceleration: Utnyttjar GPU:n för snabb rendering.
• Inga insticksprogram krävs: Eliminerar behovet för användare att installera ytterligare programvara.
• Tillgänglighet: Gör strålspårning tillgängligt för en bredare publik via webben.

Fördelar med att använda Compute Shaders:

• Parallell bearbetning: Utnyttjar den massivt parallella arkitekturen hos GPU:er för effektiva strålspårningsberäkningar.
• Flexibilitet: Tillåter anpassade algoritmer och optimeringar skräddarsydda för strålspårning.
• Direkt GPU-åtkomst: Går förbi den traditionella renderingskedjan för större kontroll.

Implementeringsöversikt

Att implementera strålspårning i WebGL med compute shaders involverar flera viktiga steg:

1. Konfigurera WebGL-kontexten: Skapa en WebGL-kontext och aktivera nödvändiga tillägg (WebGL 2.0 krävs).
2. Skapa Compute Shaders: Skriva GLSL-kod för den compute shader som utför strålspårningsberäkningarna.
3. Skapa Shader Storage Buffer Objects (SSBOs): Allokera minne på GPU:n för att lagra scendata, stråldata och den slutliga bilden.
4. Exekvera Compute Shadern: Starta compute shadern för att bearbeta datan.
5. Läsa tillbaka resultaten: Hämta den renderade bilden från SSBO:n och visa den på skärmen.

Detaljerade implementeringssteg

1. Konfigurera WebGL-kontexten

Det första steget är att skapa en WebGL 2.0-kontext. Detta innebär att hämta ett canvas-element från HTML och sedan begära en WebGL2RenderingContext. Felhantering är avgörande för att säkerställa att kontexten skapas framgångsrikt.

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

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

              
                Copy
              
            
          

2. Skapa Compute Shaders

Kärnan i strålspåraren är compute shadern, skriven i GLSL. Denna shader kommer att ansvara för att kasta strålar, utföra korsningstester och beräkna färgen för varje pixel. Compute shadern kommer att arbeta på ett rutnät av arbetsgrupper, där var och en bearbetar en liten region av bilden.

Här är ett förenklat exempel på en compute shader som beräknar en grundläggande färg baserat på pixelkoordinaterna:

            #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
              
            
          

Denna shader definierar en arbetsgruppstorlek på 8x8, en utdatabuffert kallad `pixels` och en uniform-variabel för skärmupplösningen. Varje arbetsenhet (pixel) beräknar sin färg baserat på sin position och skriver den till utdatabufferten.

3. Skapa Shader Storage Buffer Objects (SSBOs)

SSBOs används för att lagra data som delas mellan CPU:n och GPU:n. I det här fallet kommer vi att använda SSBOs för att lagra scendata (t.ex. triangelhörn, materialegenskaper), stråldata och den slutliga renderade bilden. Skapa SSBO:n, bind den till en bindningspunkt och fyll den med initial data.

            // Skapa SSBO:n
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 SSBO:n till bindningspunkt 0
gl.bindBufferBase(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, 0, outputBuffer);

            

              
                Copy
              
            
          

4. Exekvera Compute Shadern

För att köra compute shadern måste vi exekvera den (dispatch). Detta innebär att specificera antalet arbetsgrupper som ska startas i varje dimension. Antalet arbetsgrupper bestäms genom att dividera det totala antalet pixlar med arbetsgruppstorleken som definierats i shadern.

            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` startar compute shadern. `gl.memoryBarrier` säkerställer att GPU:n har slutat skriva till SSBO:n innan CPU:n försöker läsa från den.

5. Läsa tillbaka resultaten

Efter att compute shadern har kört klart måste vi läsa den renderade bilden från SSBO:n tillbaka till CPU:n. Detta innebär att skapa en buffert på CPU:n och sedan använda `gl.getBufferSubData` för att kopiera datan från SSBO:n till CPU-bufferten. Skapa slutligen ett bildelement med hjälp av datan.

            // Skapa en buffert på CPU:n för att hålla bilddata
const imageData = new Float32Array(imageWidth * imageHeight * 4);

// Bind SSBO:n för läsning
gl.bindBuffer(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, outputBuffer);
gl.getBufferSubData(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, 0, imageData);

// Skapa ett bildelement från datan (exempel med ett bibliotek som 'OffscreenCanvas')
// Visa bilden på skärmen

            

              
                Copy
              
            
          

Scenrepresentation och accelerationsstrukturer

En avgörande aspekt av strålspårning är att effektivt hitta korsningspunkterna mellan strålar och objekt i scenen. Brute-force-korsningstester, där varje stråle testas mot varje objekt, är beräkningsmässigt dyra. För att förbättra prestandan används accelerationsstrukturer för att organisera scendatat och snabbt kassera objekt som sannolikt inte kommer att korsas av en given stråle.

Vanliga accelerationsstrukturer:

• Bounding Volume Hierarchy (BVH): En hierarkisk trädstruktur där varje nod representerar en omslutande volym som omsluter en uppsättning objekt. Detta gör det möjligt att snabbt avvisa stora delar av scenen.
• Kd-träd: En rymdpartitionerande datastruktur som rekursivt delar upp scenen i mindre regioner.
• Spatial Hashing: Delar upp scenen i ett rutnät av celler och lagrar objekt i de celler de korsar.

För WebGL-strålspårning är BVH:er ofta det föredragna valet på grund av deras relativt enkla implementering och goda prestanda. Att implementera en BVH involverar följande steg:

1. Beräkning av omslutande låda (Bounding Box): Beräkna den omslutande lådan for varje objekt i scenen (t.ex. trianglar).
2. Trädkonstruktion: Dela rekursivt upp scenen i mindre omslutande lådor tills varje lövnod innehåller ett litet antal objekt. Vanliga delningskriterier inkluderar mittpunkten på den längsta axeln eller yt-areans heuristik (SAH).
3. Traversering: Traversera BVH:n under strålspårningen, med början från rotnoden. Om strålen korsar en nods omslutande låda, traversera dess barn rekursivt. Om strålen korsar en lövnod, utför korsningstester mot objekten som finns i den noden.

Exempel på BVH-struktur i GLSL (förenklad):

            struct BVHNode {
  vec3 min;
  vec3 max;
  int leftChild;
  int rightChild;
  int triangleOffset; // Index för den första triangeln i denna nod
  int triangleCount;  // Antal trianglar i denna nod
};

            

              
                Copy
              
            
          

Korsning mellan stråle och triangel

Det mest grundläggande korsningstestet inom strålspårning är korsningen mellan en stråle och en triangel. Det finns många algoritmer för att utföra detta test, inklusive Möller–Trumbore-algoritmen, som är vida använd på grund av sin effektivitet och enkelhet.

Möller–Trumbore-algoritmen:

Möller–Trumbore-algoritmen beräknar korsningspunkten för en stråle med en triangel genom att lösa ett system av linjära ekvationer. Det involverar beräkning av barycentriska koordinater, som bestämmer positionen för korsningspunkten inom triangeln. Om de barycentriska koordinaterna ligger inom intervallet [0, 1] och deras summa är mindre än eller lika med 1, korsar strålen triangeln.

Exempel på GLSL-kod:

            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;    // Strålen är parallell med triangeln

  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;

  // I detta skede kan vi beräkna t för att ta reda på var korsningspunkten är på linjen.
  t = f * dot(edge2, q);

  if (t > 0.0001) // strålkorsning
  {
    return true;
  }
  else // Detta betyder att det finns en linjekorsning men inte en strålkorsning.
    return false;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Skuggning och ljussättning

När korsningspunkten har hittats är nästa steg att beräkna pixelns färg. Detta innebär att bestämma hur ljus interagerar med ytan vid korsningspunkten. Vanliga skuggningsmodeller inkluderar:

• Phong-skuggning: En enkel skuggningsmodell som beräknar de diffusa och spekulära komponenterna av ljus.
• Blinn-Phong-skuggning: En förbättring av Phong-skuggning som använder en halvvägsvektor för att beräkna den spekulära komponenten.
• Fysikbaserad rendering (PBR): En mer realistisk skuggningsmodell som tar hänsyn till materialens fysiska egenskaper.

Strålspårning möjliggör mer avancerade ljuseffekter än rasterisering, såsom global belysning, reflektioner och refraktioner. Dessa effekter kan implementeras genom att kasta ytterligare strålar från korsningspunkten.

Exempel: Beräkna diffus belysning

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

            

              
                Copy
              
            
          

Prestandaöverväganden och optimeringar

Strålspårning är beräkningsintensivt, och att uppnå realtidsprestanda i WebGL kräver noggrann optimering. Här är några viktiga tekniker:

• Accelerationsstrukturer: Som nämnts tidigare är användningen av accelerationsstrukturer som BVH:er avgörande för att minska antalet korsningstester.
• Tidig strålavslutning: Avsluta strålar tidigt om de inte bidrar väsentligt till den slutliga bilden. Till exempel kan skuggstrålar avslutas så snart de träffar ett objekt.
• Adaptiv sampling: Använd ett variabelt antal samplingar per pixel, beroende på scenens komplexitet. Regioner med hög detaljrikedom eller komplex belysning kan renderas med fler samplingar.
• Brusreducering (Denoising): Använd brusreduceringsalgoritmer för att minska bruset i den renderade bilden, vilket möjliggör färre samplingar per pixel.
• Optimeringar av Compute Shader: Optimera compute shader-koden genom att minimera minnesåtkomster, använda vektoroperationer och undvika förgreningar.
• Justering av arbetsgruppstorlek: Experimentera med olika arbetsgruppstorlekar för att hitta den optimala konfigurationen för mål-GPU:n.
• Användning av hårdvaru-strålspårning (om tillgängligt): Vissa GPU:er erbjuder nu dedikerad hårdvara för strålspårning. Kontrollera och utnyttja tillägg som exponerar denna funktionalitet i WebGL.

Globala exempel och tillämpningar

Strålspårning i WebGL har många potentiella tillämpningar inom olika branscher globalt:

• Spel: Förbättra den visuella kvaliteten i webbaserade spel med realistisk belysning, reflektioner och skuggor.
• Produktvisualisering: Skapa interaktiva 3D-modeller av produkter med fotorealistisk rendering för e-handel och marknadsföring. Till exempel skulle ett möbelföretag i Sverige kunna låta kunder visualisera möbler i sina hem med korrekt belysning och reflektioner.
• Arkitektonisk visualisering: Visualisera arkitektoniska designer med realistisk belysning och material. En arkitektbyrå i Dubai skulle kunna använda strålspårning för att visa upp byggnadsdesigner med korrekta solljus- och skuggsimuleringar.
• Virtuell verklighet (VR) och förstärkt verklighet (AR): Förbättra realismen i VR- och AR-upplevelser genom att införliva strålspårade effekter. Till exempel skulle ett museum i London kunna erbjuda en VR-tur med förbättrade visuella detaljer genom strålspårning.
• Vetenskaplig visualisering: Visualisera komplexa vetenskapliga data med realistiska renderingstekniker. Ett forskningslabb i Japan skulle kunna använda strålspårning för att visualisera molekylära strukturer med korrekt belysning och skuggor.
• Utbildning: Utveckla interaktiva utbildningsverktyg som demonstrerar principerna för optik och ljustransport.

Utmaningar och framtida riktningar

Även om strålspårning i realtid i WebGL blir alltmer genomförbart, kvarstår flera utmaningar:

• Prestanda: Att uppnå höga bildhastigheter med komplexa scener är fortfarande en utmaning.
• Komplexitet: Att implementera en fullfjädrad strålspårare kräver betydande programmeringsinsatser.
• Hårdvarustöd: Inte alla GPU:er stöder de nödvändiga tilläggen för compute shaders eller hårdvaru-strålspårning.

Framtida riktningar för WebGL-strålspårning inkluderar:

• Förbättrat hårdvarustöd: I takt med att fler GPU:er införlivar dedikerad hårdvara för strålspårning kommer prestandan att förbättras avsevärt.
• Standardiserade API:er: Utvecklingen av standardiserade API:er for hårdvaru-strålspårning i WebGL kommer att förenkla implementeringsprocessen.
• Avancerade brusreduceringstekniker: Mer sofistikerade brusreduceringsalgoritmer kommer att möjliggöra bilder av högre kvalitet med färre samplingar.
• Integration med WebAssembly (Wasm): Att använda WebAssembly för att implementera beräkningsintensiva delar av strålspåraren kan förbättra prestandan.

Slutsats

Strålspårning i realtid i WebGL med compute shaders är ett snabbt utvecklande fält med potential att revolutionera webbgrafik. Genom att förstå grunderna i strålspårning, utnyttja kraften i compute shaders och använda optimeringstekniker kan utvecklare skapa fantastiska visuella upplevelser som en gång ansågs omöjliga i en webbläsare. I takt med att hårdvara och mjukvara fortsätter att förbättras kan vi förvänta oss att se ännu mer imponerande tillämpningar av strålspårning på webben under de kommande åren, tillgängliga för en global publik från vilken enhet som helst med en modern webbläsare.

Denna guide har gett en omfattande översikt över de koncept och tekniker som är involverade i att implementera strålspårning i realtid i WebGL. Vi uppmuntrar utvecklare över hela världen att experimentera med dessa tekniker och bidra till utvecklingen av webbgrafik.