WebGL Raytracing Global Illumination: Uppnå fysiskt korrekt belysning i webbapplikationer

Jakten på realism inom 3D-grafik har drivit kontinuerlig innovation inom renderingstekniker. Raytracing, som en gång var begränsat till offline-rendering på grund av dess beräkningskrav, blir nu alltmer tillgängligt i realtidsmiljöer tack vare framsteg inom hårdvara och API:er som WebGL. Denna artikel dyker ner i den fascinerande världen av WebGL raytracing global illumination och utforskar hur man uppnår fysiskt korrekt belysning i webbapplikationer.

Förståelse för global illumination

Global illumination (GI) avser en uppsättning renderingstekniker som simulerar hur ljus studsar runt i en scen, vilket skapar en mer realistisk och uppslukande visuell upplevelse. Till skillnad från direkt belysning, som endast tar hänsyn till ljuskällor som direkt belyser ytor, tar GI hänsyn till indirekt belysning – ljus som reflekteras, bryts eller sprids från andra ytor i miljön. Detta inkluderar effekter som:

• Diffus interreflektion: Ljus som studsar mellan diffusa ytor, vilket resulterar i färgspridning (color bleeding) och subtil omgivningsbelysning. Föreställ dig en röd vägg som kastar en svag röd nyans på ett närliggande vitt golv.
• Spekulär reflektion: Exakta reflektioner av ljuskällor och den omgivande miljön på blanka ytor. Tänk på reflektionen av ett fönster i en polerad metallsfär.
• Refraktion: Ljus som böjs när det passerar genom transparenta material, vilket skapar realistiska förvrängningar och kaustik. Tänk på hur ett glas vatten böjer ljus och skapar mönster på ytan under.
• Subsurface Scattering (SSS): Ljus som tränger in i genomskinliga material och sprids internt innan det lämnar, vilket resulterar i ett mjukt, upplyst utseende. Exempel inkluderar hud, marmor och mjölk.

Att uppnå realistisk global illumination förbättrar avsevärt den visuella kvaliteten på 3D-scener, vilket gör dem mer trovärdiga och engagerande. Att simulera dessa effekter korrekt är dock beräkningsintensivt.

Raytracing: En väg till realistisk belysning

Raytracing är en renderingsteknik som simulerar ljusets beteende genom att spåra strålar från kameran (eller ögat) genom varje pixel i bilden och in i scenen. När en stråle träffar en yta bestämmer raytracern färgen och ljusstyrkan på den punkten genom att beakta belysningseffekterna på den platsen. Denna process kan upprepas rekursivt för att simulera reflektioner, refraktioner och andra komplexa ljusinteraktioner.

Traditionell rasteriseringsbaserad rendering, den dominerande metoden inom realtidsgrafik under många år, approximerar global illumination genom tekniker som ambient occlusion, screen-space reflections och light probes. Även om dessa metoder kan ge visuellt tilltalande resultat, saknar de ofta den noggrannhet och fysiska korrekthet som raytracing erbjuder.

Raytracing, å andra sidan, hanterar naturligt effekter av global illumination genom att följa ljusstrålarnas vägar när de interagerar med scenen. Detta möjliggör en exakt simulering av reflektioner, refraktioner och andra komplexa fenomen för ljustransport.

WebGL och raytracing: Ett växande landskap

WebGL (Web Graphics Library) är ett JavaScript-API för att rendera interaktiv 2D- och 3D-grafik i alla kompatibla webbläsare utan användning av plug-ins. Det utnyttjar den underliggande grafikprocessorn (GPU) för att accelerera renderingsprestanda. Traditionellt har WebGL associerats med rasteriseringsbaserad rendering.

Men de senaste framstegen inom WebGL, särskilt med introduktionen av WebGL 2 och tillägg som GL_EXT_ray_tracing och WEBGL_gpu_acceleration, öppnar upp möjligheter för att införliva raytracing-tekniker i webbapplikationer. Dessa tillägg ger tillgång till GPU-accelererad raytracing-funktionalitet, vilket gör det möjligt för utvecklare att skapa mer realistiska och visuellt imponerande webbaserade upplevelser.

Det finns flera tillvägagångssätt för att implementera raytracing i WebGL:

• Compute Shaders: Compute shaders möjliggör generella beräkningar på GPU:n. Raytracing-algoritmer kan implementeras med hjälp av compute shaders, som utför tester för stråle-scen-korsningar och beräknar belysningseffekter. Detta tillvägagångssätt kräver mer manuell implementering men erbjuder flexibilitet och kontroll.
• Hårdvaruaccelererade raytracing-tillägg: Tillägg som GL_EXT_ray_tracing ger direkt tillgång till hårdvarubaserade raytracing-funktioner, om de finns tillgängliga på användarens enhet. Detta tillvägagångssätt kan avsevärt förbättra prestandan jämfört med implementeringar baserade på compute shaders. Det är dock beroende av tillgängligheten av specifik hårdvara och drivrutinsstöd.
• WebGPU: WebGPU är en efterföljare till WebGL, utformad för att erbjuda ett modernare och effektivare API för att komma åt GPU-kapacitet. WebGPU har inbyggt stöd för raytracing, vilket gör det till en lovande plattform för framtida webbaserade raytracing-applikationer.

Implementering av WebGL Raytracing Global Illumination

Att implementera WebGL raytracing global illumination är ett komplext åtagande som kräver en gedigen förståelse för principer inom datorgrafik, raytracing-algoritmer och WebGL-programmering.

Här är en förenklad översikt över de typiska stegen:

1. Scenrepresentation: Representera 3D-scenen med datastrukturer som är effektiva för tester av stråle-scen-korsningar. Vanliga datastrukturer inkluderar bounding volume hierarchies (BVH) och k-d-träd. Dessa strukturer hjälper till att accelerera raytracing-processen genom att snabbt förkasta stora delar av scenen som sannolikt inte kommer att korsas av en given stråle.
2. Strålgenerering: Generera strålar från kameran genom varje pixel i bilden. Riktningen på varje stråle bestäms av kamerans position, orientering och synfält.
3. Stråle-scen-korsning: För varje stråle, utför korsningstester mot alla objekt i scenen. Detta innebär att avgöra om strålen korsar varje objekt och, i så fall, beräkna korsningspunkten.
4. Shading (ljussättning): Vid korsningspunkten, beräkna ytans färg och ljusstyrka baserat på belysningsmodellen. Detta innefattar att beakta direkt belysning från ljuskällor, samt indirekt belysning från effekter av global illumination.
5. Sampling för global illumination: För global illumination, skicka ut ytterligare strålar från korsningspunkten för att sampla den omgivande miljön. Dessa strålar används för att uppskatta mängden ljus som anländer till punkten från andra ytor i scenen. Tekniker som path tracing, Monte Carlo-integration och importance sampling används ofta för att effektivt sampla ljustransporten.
6. Rekursiv raytracing: Upprepa steg 3-5 rekursivt för reflektions- och refraktionsstrålar, och spåra ljusets vägar när det studsar runt i scenen. Rekursionsdjupet är vanligtvis begränsat för att undvika överdriven beräkning.
7. Output: Skicka den slutliga färgen för varje pixel till WebGL-canvasen.

Path Tracing: En kraftfull GI-teknik

Path tracing är en Monte Carlo raytracing-algoritm som simulerar global illumination genom att spåra slumpmässiga ljusvägar genom scenen. Det är en konceptuellt enkel men kraftfull teknik som kan producera mycket realistiska resultat.

I path tracing spåras strålar inte bara från kameran, utan även från ljuskällorna. Dessa strålar studsar runt i scenen och interagerar med ytor tills de slutligen når kameran. Färgen på varje pixel bestäms sedan genom att medelvärdesberäkna bidragen från alla ljusvägar som når kameran genom den pixeln.

Path tracing är i grunden en Monte Carlo-metod, vilket innebär att den förlitar sig på slumpmässig sampling för att uppskatta ljustransporten. Detta kan resultera i brusiga bilder, särskilt med ett litet antal sampel. Bruset kan dock minskas genom att öka antalet sampel per pixel. Progressiva renderingstekniker, där bilden gradvis förfinas över tid när fler sampel ackumuleras, används ofta för att förbättra användarupplevelsen.

Exempel: Implementera diffus global illumination med Path Tracing

Låt oss titta på ett förenklat exempel på hur man implementerar diffus global illumination med path tracing i WebGL. Detta exempel fokuserar på kärnkonceptet att spåra strålar för att samla information om indirekt belysning.

Fragment Shader (förenklad):

            #version 300 es
precision highp float;

in vec3 worldPosition;
in vec3 worldNormal;

uniform vec3 lightPosition;
uniform vec3 cameraPosition;

out vec4 fragColor;

// Slumptalsgenerator (LCG)
uint seed;
float random(in vec2 uv) {
    seed = (uint(uv.x * 1024.0) * 1664525u + uint(uv.y * 1024.0) * 1013904223u + seed) & 0xffffffffu;
    return float(seed) / float(0xffffffffu);
}

vec3 randomDirection(in vec3 normal) {
    float u = random(gl_FragCoord.xy + vec2(0.0, 0.0));
    float v = random(gl_FragCoord.xy + vec2(0.1, 0.1));
    float theta = acos(u);
    float phi = 2.0 * 3.14159 * v;
    vec3 tangent = normalize(cross(normal, vec3(0.0, 1.0, 0.0)));
    if (length(tangent) < 0.001) {
        tangent = normalize(cross(normal, vec3(1.0, 0.0, 0.0)));
    }
    vec3 bitangent = cross(normal, tangent);

    vec3 direction = normalize(
        normal * cos(theta) +
        tangent * sin(theta) * cos(phi) +
        bitangent * sin(theta) * sin(phi)
    );

    return direction;
}

void main() {
    seed = uint(gl_FragCoord.x * 1024.0 + gl_FragCoord.y);
    vec3 normal = normalize(worldNormal);

    // Direct Lighting (Simplified)
    vec3 lightDir = normalize(lightPosition - worldPosition);
    float diffuse = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    vec3 directLighting = vec3(1.0, 1.0, 1.0) * diffuse;

    // Indirect Lighting (Path Tracing)
    vec3 indirectLighting = vec3(0.0);
    int numSamples = 10;
    for (int i = 0; i < numSamples; ++i) {
        vec3 randomDir = randomDirection(normal);

        //  Förenklat: Anta en konstant färg för enkelhetens skull (ersätt med faktisk scen-sampling)
        indirectLighting += vec3(0.5, 0.5, 0.5); // Exempel på indirekt färg
    }
    indirectLighting /= float(numSamples);

    fragColor = vec4(directLighting + indirectLighting, 1.0);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Förklaring:

• Världsposition och normal: Dessa är interpolerade vertexattribut som skickas från vertex shadern.
• Ljusposition och kameraposition: Uniforma variabler som representerar positionerna för ljuskällan och kameran.
• Slumptalsgenerator: En enkel linjär kongruensgenerator (LCG) används för att generera pseudoslumptal för riktningssampling. En bättre RNG bör användas i produktion.
• Slumpmässig riktning: Genererar en slumpmässig riktning på hemisfären runt normalvektorn. Detta används för att sampla det inkommande ljuset från olika riktningar.
• Direkt belysning: Beräknar den diffusa komponenten av direkt belysning med hjälp av skalärprodukten av normalen och ljusriktningen.
• Indirekt belysning (Path Tracing):
  • En loop itererar ett specificerat antal gånger (numSamples).
  • I varje iteration genereras en slumpmässig riktning med hjälp av funktionen randomDirection.
  • Förenklad scen-sampling: I detta förenklade exempel antar vi en konstant färg för den indirekta belysningen. I en verklig implementering skulle du spåra en stråle i riktningen randomDir och sampla färgen på det objekt som strålen träffar. Detta innebär rekursiv raytracing, vilket inte visas i detta förenklade exempel.
  • Bidraget från den indirekta belysningen ackumuleras och divideras sedan med antalet sampel för att få ett medelvärde.
• Slutlig färg: Den slutliga färgen beräknas genom att addera de direkta och indirekta belysningskomponenterna.

Viktigt att notera:

• Detta är ett mycket förenklat exempel. En komplett path tracer kräver mer sofistikerade tekniker för stråle-scen-korsning, materialutvärdering och variansreduktion.
• Scendata: Detta exempel förutsätter att scenens geometri och materialegenskaper redan är inlästa och tillgängliga i shadern.
• Raytracing-implementering: Raytracing-delen (att spåra strålar och hitta korsningar) visas inte explicit i detta exempel. Det antas hanteras av någon annan del av koden, till exempel med hjälp av compute shaders eller hårdvaru-raytracing-tillägg. Exemplet fokuserar på shading-aspekten efter att en stråle har träffat en yta.
• Brus: Path tracing producerar ofta brusiga bilder, särskilt med ett litet antal sampel. Variansreduktionstekniker, såsom importance sampling och stratifierad sampling, kan användas för att minska bruset.

Fysiskt baserad rendering (PBR)

Fysiskt baserad rendering (PBR) är en renderingsmetod som syftar till att simulera interaktionen mellan ljus och material på ett fysiskt korrekt sätt. PBR-material definieras av parametrar som motsvarar verkliga fysiska egenskaper, såsom:

• Grundfärg (Albedo): Materialets inneboende färg.
• Metallisk: Indikerar om materialet är metalliskt eller icke-metalliskt.
• Grovhet (Roughness): Beskriver ytans grovhet, vilket påverkar mängden spekulär reflektion. En grov yta sprider ljus mer diffust, medan en slät yta ger skarpare reflektioner.
• Spekulär: Kontrollerar intensiteten på den spekulära reflektionen.
• Normal Map: En textur som lagrar normalvektorer, vilket möjliggör simulering av detaljerad ytgeometri utan att faktiskt öka antalet polygoner.

Genom att använda PBR-material kan du skapa mer realistiska och konsekventa belysningseffekter i olika miljöer. I kombination med tekniker för global illumination kan PBR ge exceptionellt realistiska resultat.

Integrera PBR med WebGL Raytracing GI

För att integrera PBR med WebGL raytracing global illumination behöver du använda PBR-materialegenskaper i shading-beräkningarna inom raytracing-algoritmen.

Detta innebär:

• Utvärdera BRDF: Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF) beskriver hur ljus reflekteras från en yta vid en given punkt. PBR-material använder specifika BRDF:er som baseras på fysiska principer, såsom Cook-Torrance BRDF.
• Sampla miljön: Vid beräkning av global illumination behöver du sampla den omgivande miljön för att uppskatta mängden ljus som anländer till ytan. Detta kan göras med hjälp av environment maps eller genom att spåra strålar för att sampla scenen direkt.
• Tillämpa energikonservering: PBR-material är energikonserverande, vilket innebär att den totala mängden ljus som reflekteras från en yta inte kan överstiga mängden ljus som träffar den. Denna begränsning hjälper till att säkerställa att belysningen ser realistisk ut.

Cook-Torrance BRDF är ett populärt val för PBR-rendering eftersom den är relativt enkel att implementera och ger realistiska resultat. Den består av tre huvudkomponenter:

• Diffus term: Representerar det ljus som sprids diffust från ytan. Detta beräknas vanligtvis med Lamberts cosinuslag.
• Spekulär term: Representerar det ljus som reflekteras spekulärt från ytan. Denna komponent beräknas med en mikrofacetmodell, som antar att ytan består av små, perfekt reflekterande mikrofacetter.
• Geometrifunktion: Tar hänsyn till maskering och skuggning av mikrofacetter.
• Fresnel-term: Beskriver mängden ljus som reflekteras från ytan vid olika vinklar.
• Distributionsfunktion: Beskriver fördelningen av mikrofacetnormaler.

Prestandaöverväganden

Raytracing, särskilt med global illumination, är beräkningskrävande. Att uppnå realtidsprestanda i WebGL kräver noggrann optimering och hänsyn till hårdvarukapacitet.

Här är några viktiga tekniker för prestandaoptimering:

• Bounding Volume Hierarchies (BVH): Använd BVH:er eller andra rumsliga accelerationsstrukturer för att minska antalet tester för stråle-scen-korsningar.
• Batch-bearbetning av strålar: Bearbeta strålar i batcher för att förbättra GPU-utnyttjandet.
• Adaptiv sampling: Använd adaptiva samplingstekniker för att fokusera beräkningsresurser på områden i bilden som kräver fler sampel.
• Brusreducering (Denoising): Tillämpa brusreduceringsalgoritmer för att minska brus i de renderade bilderna, vilket möjliggör färre sampel per pixel. Temporal ackumulering kan också hjälpa till att reducera bruset i den slutliga bilden.
• Hårdvaruacceleration: Utnyttja hårdvaru-raytracing-tillägg när de är tillgängliga.
• Lägre upplösning: Rendera i en lägre upplösning och skala upp bilden för att förbättra prestandan.
• Progressiv rendering: Använd progressiv rendering för att snabbt visa en initial bild av låg kvalitet och sedan gradvis förfina den över tid.
• Optimera shaders: Optimera shader-koden noggrant för att minska beräkningskostnaden för shading-beräkningar.

Utmaningar och framtida riktningar

Även om WebGL raytracing global illumination har en enorm potential, kvarstår flera utmaningar:

• Hårdvarukrav: Raytracing-prestanda beror starkt på den underliggande hårdvaran. Inte alla enheter stöder hårdvaru-raytracing, och prestandan kan variera avsevärt mellan olika GPU:er.
• Komplexitet: Att implementera raytracing-algoritmer och integrera dem med befintliga WebGL-applikationer kan vara komplext och tidskrävande.
• Prestandaoptimering: Att uppnå realtidsprestanda kräver betydande ansträngningar inom optimering och noggrant övervägande av hårdvarubegränsningar.
• Webbläsarstöd: Konsekvent webbläsarstöd för raytracing-tillägg är avgörande för en bred acceptans.

Trots dessa utmaningar ser framtiden för WebGL raytracing lovande ut. I takt med att hårdvara och mjukvara fortsätter att utvecklas kan vi förvänta oss att se mer sofistikerade och prestandaeffektiva raytracing-tekniker införlivas i webbapplikationer. WebGPU kommer sannolikt att spela en stor roll för att detta ska ske.

Framtida forskning och utveckling inom detta område kan fokusera på:

• Förbättrade raytracing-algoritmer: Utveckla effektivare och robustare raytracing-algoritmer som är väl lämpade för webbaserade miljöer.
• Avancerade brusreduceringstekniker: Skapa effektivare brusreduceringsalgoritmer som kan minska brus i raytraced-bilder med minimal prestandapåverkan.
• Automatisk optimering: Utveckla verktyg och tekniker för att automatiskt optimera raytracing-prestanda baserat på hårdvarukapacitet och scenkomplexitet.
• Integration med AI: Utnyttja AI och maskininlärning för att förbättra raytracing-prestanda och -kvalitet, till exempel genom att använda AI för att accelerera brusreducering eller för att intelligent sampla scenen.

Slutsats

WebGL raytracing global illumination representerar ett betydande steg mot att uppnå fysiskt korrekt belysning i webbapplikationer. Genom att utnyttja kraften i raytracing och PBR kan utvecklare skapa mer realistiska och uppslukande 3D-upplevelser som en gång endast var möjliga i offline-renderingsmiljöer. Även om utmaningar kvarstår, banar de pågående framstegen inom hårdvara och mjukvara vägen för en framtid där realtids-raytracing blir en standardfunktion i webbgrafik. I takt med att tekniken mognar kan vi förvänta oss en ny våg av visuellt imponerande och interaktiva webbapplikationer som suddar ut gränsen mellan virtuella och verkliga världar. Från interaktiva produktkonfiguratorer och arkitektoniska visualiseringar till uppslukande spelupplevelser och virtual reality-applikationer, har WebGL raytracing global illumination potentialen att revolutionera sättet vi interagerar med 3D-innehåll på webben.