โครงสร้างเร่งความเร็ว Raytracing ของ WebGL: การจัดระเบียบข้อมูลเชิงพื้นที่สำหรับแอปพลิเคชัน 3 มิติระดับโลก

Raytracing เป็นเทคนิคการเรนเดอร์ที่ทรงพลังซึ่งจำลองวิธีการที่แสงประพฤติตนในโลกแห่งความเป็นจริง โดยสร้างภาพที่สมจริงโดยการติดตามเส้นทางของแสงผ่านฉาก แม้ว่า raytracing จะให้คุณภาพของภาพที่เหนือกว่า แต่ก็ต้องใช้การคำนวณสูง เพื่อให้ได้อัตราเฟรมแบบเรียลไทม์หรือแบบโต้ตอบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแอปพลิเคชัน WebGL ที่ใช้เบราว์เซอร์ โครงสร้างเร่งความเร็วจึงมีความสำคัญ บทความนี้จะสำรวจแนวคิดพื้นฐานของโครงสร้างเร่งความเร็วที่ใช้ในการทำ raytracing ของ WebGL โดยเน้นที่การจัดระเบียบข้อมูลเชิงพื้นที่และผลกระทบต่อประสิทธิภาพ

ความจำเป็นสำหรับโครงสร้างเร่งความเร็ว

หากไม่มีโครงสร้างเร่งความเร็ว raytracing จะเกี่ยวข้องกับการตัดกันของแต่ละรังสีกับทุกวัตถุในฉาก วิธีการแบบ brute-force นี้ส่งผลให้มีความซับซ้อน O(n) สำหรับแต่ละรังสี โดยที่ 'n' คือจำนวนของไพรมิทิฟ (รูปสามเหลี่ยม, ทรงกลม, ฯลฯ) ในฉาก สำหรับฉากที่ซับซ้อนที่มีไพรมิทิฟหลายล้านรายการ สิ่งนี้จะมีราคาแพงอย่างไม่น่าเชื่อ

โครงสร้างเร่งความเร็วช่วยลดปัญหานี้โดยการจัดระเบียบรูปทรงเรขาคณิตของฉากในลักษณะที่ช่วยให้เราสามารถทิ้งส่วนใหญ่ของฉากที่ไม่น่าจะถูกตัดโดยรังสีที่กำหนดได้อย่างรวดเร็ว พวกเขาลดจำนวนการทดสอบการตัดกันของรังสี-ไพรมิทิฟ ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการเรนเดอร์ได้อย่างมาก ลองนึกภาพการค้นหาหนังสือเฉพาะในห้องสมุด หากไม่มีดัชนี (โครงสร้างเร่งความเร็ว) คุณจะต้องตรวจสอบหนังสือทุกเล่มบนทุกชั้นวาง ดัชนีช่วยให้คุณค้นหาส่วนที่เกี่ยวข้องได้อย่างรวดเร็วและค้นหาหนังสือได้อย่างมีประสิทธิภาพ โครงสร้างเร่งความเร็วมีจุดประสงค์คล้ายกันในการทำ raytracing

โครงสร้างเร่งความเร็วยอดนิยม

โครงสร้างเร่งความเร็วหลายประเภทมีการใช้กันทั่วไปในการทำ raytracing ที่แพร่หลายที่สุดคือ Bounding Volume Hierarchy (BVH) แต่มีการใช้โครงสร้างอื่นๆ เช่น k-d trees และ uniform grids ด้วยเช่นกัน บทความนี้เน้นที่ BVH เนื่องจากความยืดหยุ่นและประสิทธิภาพในการจัดการฉากที่หลากหลาย

Bounding Volume Hierarchy (BVH)

BVH เป็นโครงสร้างข้อมูลแบบต้นไม้ที่แต่ละโหนดแสดงถึง bounding volume ที่ล้อมรอบชุดของไพรมิทิฟ โหนดรูทล้อมรอบทั้งฉาก และแต่ละโหนดภายในล้อมรอบเซตย่อยของรูปทรงเรขาคณิตของฉาก โหนดลีฟมีข้อมูลอ้างอิงถึงไพรมิทิฟจริง (เช่น รูปสามเหลี่ยม)

หลักการพื้นฐานของ BVH คือการทดสอบรังสีกับ bounding volume ของโหนด หากรังสีไม่ตัดกับ bounding volume แสดงว่าไม่สามารถตัดกับไพรมิทิฟใดๆ ที่อยู่ภายในโหนดนั้นได้ และเราสามารถข้ามการข้าม subtree ได้ หากรังสีตัดกับ bounding volume เราจะข้ามโหนดลูกอย่างต่อเนื่องจนกว่าเราจะไปถึงโหนดลีฟ ซึ่งเราทำการทดสอบการตัดกันของรังสี-ไพรมิทิฟ

การสร้าง BVH:

การสร้าง BVH เป็นขั้นตอนสำคัญที่ส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพ การสร้าง BVH ที่ดีจะลดจำนวนการทดสอบการตัดกันของรังสี-bounding volume มีสองแนวทางหลักในการสร้าง BVH: top-down และ bottom-up

• Top-Down Construction: แนวทางนี้เริ่มต้นด้วยโหนดรูทและแบ่งย่อยอย่างต่อเนื่องจนกว่าจะตรงตามเกณฑ์การสิ้นสุดบางอย่าง โดยทั่วไปกระบวนการแบ่งย่อยจะเกี่ยวข้องกับการเลือกระนาบการแยกที่แบ่งไพรมิทิฟออกเป็นสองกลุ่ม การเลือกระนาบการแยกเป็นสิ่งสำคัญ กลยุทธ์ทั่วไป ได้แก่:
• Spatial Median Split: แบ่งไพรมิทิฟตามตำแหน่งเชิงพื้นที่ตามแกน (เช่น X, Y หรือ Z) นี่เป็นวิธีที่ง่ายและรวดเร็ว แต่อาจไม่ได้ส่งผลให้เกิดต้นไม้ที่สมดุลเสมอไป
• Object Median Split: แบ่งไพรมิทิฟตามค่ามัธยฐานของ centroids ของพวกมัน สิ่งนี้มักจะสร้างต้นไม้ที่สมดุลกว่าการแบ่งค่ามัธยฐานเชิงพื้นที่
• Surface Area Heuristic (SAH): นี่เป็นแนวทางที่ซับซ้อนกว่าซึ่งประมาณค่าใช้จ่ายในการข้ามต้นไม้ตามพื้นที่ผิวของ bounding volume SAH มีเป้าหมายเพื่อลดค่าใช้จ่ายในการข้ามที่คาดไว้โดยการเลือกระนาบการแยกที่ส่งผลให้เกิดค่าใช้จ่ายโดยรวมต่ำสุด โดยทั่วไป SAH จะสร้าง BVH ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด แต่ก็มีค่าใช้จ่ายในการสร้างที่สูงที่สุดเช่นกัน
• Bottom-Up Construction: แนวทางนี้เริ่มต้นด้วยไพรมิทิฟแต่ละรายการเป็นโหนดลีฟและรวมเข้าด้วยกันซ้ำๆ เป็น bounding volume ที่ใหญ่ขึ้นจนกว่าจะมีการสร้างโหนดรูทเดียว สิ่งนี้พบได้น้อยกว่าสำหรับ BVH ที่ทำ raytracing แต่จะมีประโยชน์ในฉากไดนามิกที่รูปทรงเรขาคณิตเปลี่ยนแปลงบ่อย

เกณฑ์การสิ้นสุด:

กระบวนการแบ่งย่อยจะดำเนินต่อไปจนกว่าจะตรงตามเกณฑ์การสิ้นสุด เกณฑ์การสิ้นสุดทั่วไป ได้แก่:

• Maximum Tree Depth: จำกัดความลึกของต้นไม้เพื่อป้องกันการใช้หน่วยความจำมากเกินไปหรือค่าใช้จ่ายในการข้าม
• Minimum Number of Primitives per Node: หยุดการแบ่งย่อยโหนดเมื่อมีจำนวนไพรมิทิฟน้อย ค่าทั่วไปคือ 1-4 ไพรมิทิฟ
• Cost Threshold: หยุดการแบ่งย่อยโหนดเมื่อค่าใช้จ่ายโดยประมาณของการแบ่งย่อยเพิ่มเติมเกินเกณฑ์ที่กำหนด

BVH Traversal:

อัลกอริทึม BVH traversal เป็นกระบวนการเรียกซ้ำที่กำหนดอย่างมีประสิทธิภาพว่าไพรมิทิฟใดในฉากที่ถูกตัดโดยรังสีที่กำหนด อัลกอริทึมเริ่มต้นที่โหนดรูทและดำเนินการดังนี้:

1. ทดสอบรังสีกับ bounding volume ของโหนดปัจจุบัน
2. ถ้ารังสีไม่ตัดกับ bounding volume การข้ามจะหยุดสำหรับโหนดนั้นและ subtree ของมัน
3. ถ้ารังสีตัดกับ bounding volume อัลกอริทึมจะข้ามโหนดลูกอย่างต่อเนื่อง
4. เมื่อถึงโหนดลีฟ อัลกอริทึมจะทำการทดสอบการตัดกันของรังสี-ไพรมิทิฟสำหรับแต่ละไพรมิทิฟที่อยู่ในโหนดลีฟ

เทคนิคการจัดระเบียบข้อมูลเชิงพื้นที่

วิธีการจัดระเบียบข้อมูลภายในโครงสร้างเร่งความเร็วส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพ มีการใช้เทคนิคหลายอย่างเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการจัดระเบียบข้อมูลเชิงพื้นที่:

Bounding Volume Tightness

Bounding volume ที่กระชับขึ้นช่วยลดความน่าจะเป็นของผลบวกปลอมระหว่างการทดสอบการตัดกันของรังสี-bounding volume Bounding volume ที่กระชับจะพอดีกับรูปทรงเรขาคณิตที่ล้อมรอบอย่างใกล้ชิด ซึ่งช่วยลดพื้นที่ว่างรอบๆ ประเภท bounding volume ทั่วไป ได้แก่:

• Axis-Aligned Bounding Boxes (AABBs): AABB เป็น bounding volume ประเภทที่พบมากที่สุดเนื่องจากความเรียบง่ายและประสิทธิภาพ พวกเขาถูกกำหนดโดยพิกัดขั้นต่ำและสูงสุดตามแต่ละแกน AABB นั้นง่ายต่อการสร้างและตัดกับรังสี
• Oriented Bounding Boxes (OBBs): OBB นั้นกระชับกว่า AABB โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับวัตถุที่ไม่ได้อยู่ในแนวเดียวกับแกนพิกัด อย่างไรก็ตาม OBB มีค่าใช้จ่ายในการสร้างและตัดกับรังสีมากกว่า
• Spheres: Spheres นั้นง่ายต่อการสร้างและตัดกับรังสี แต่ไม่เหมาะสำหรับรูปทรงเรขาคณิตทุกประเภท

การเลือกประเภท bounding volume ที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชันเฉพาะและการแลกเปลี่ยนระหว่างความกระชับและประสิทธิภาพ

Node Ordering and Memory Layout

ลำดับที่จัดเก็บโหนดในหน่วยความจำสามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อ cache coherency และประสิทธิภาพการข้าม การจัดเก็บโหนดที่น่าจะเข้าถึงร่วมกันในตำแหน่งหน่วยความจำที่ต่อเนื่องกันสามารถปรับปรุงการใช้แคชและลดเวลาแฝงในการเข้าถึงหน่วยความจำ

เทคนิคการจัดลำดับโหนดทั่วไป ได้แก่:

• Depth-First Ordering: โหนดจะถูกจัดเก็บตามลำดับที่เยี่ยมชมระหว่างการข้ามแบบ depth-first ของต้นไม้ แนวทางนี้สามารถปรับปรุง cache coherency สำหรับรังสีที่ข้ามเส้นทางยาวผ่านต้นไม้
• Breadth-First Ordering: โหนดจะถูกจัดเก็บตามลำดับที่เยี่ยมชมระหว่างการข้ามแบบ breadth-first ของต้นไม้ แนวทางนี้สามารถปรับปรุง cache coherency สำหรับรังสีที่ตัดกับโหนดจำนวนมากในระดับเดียวกันของต้นไม้
• Linearization: BVH ถูกทำให้เป็นเส้นตรงลงในอาร์เรย์แบน โดยมักจะใช้ Morton code หรือเส้นโค้งเติมพื้นที่ที่คล้ายกัน สิ่งนี้สามารถปรับปรุง cache coherency และเปิดใช้งานการข้ามที่มีประสิทธิภาพบน GPU

เทคนิคการจัดลำดับโหนดที่เหมาะสมที่สุดขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรมฮาร์ดแวร์เฉพาะและลักษณะของฉาก

Primitive Ordering

ลำดับที่จัดเก็บไพรมิทิฟภายในโหนดลีฟยังสามารถส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพ การจัดกลุ่มไพรมิทิฟที่สอดคล้องกันในเชิงพื้นที่สามารถปรับปรุง cache coherency และลดจำนวน cache misses ระหว่างการทดสอบการตัดกันของรังสี-ไพรมิทิฟ เทคนิคต่างๆ เช่น เส้นโค้งเติมพื้นที่ (เช่น Morton order) สามารถใช้เพื่อจัดลำดับไพรมิทิฟตามตำแหน่งเชิงพื้นที่

ข้อควรพิจารณาของ WebGL

การนำ raytracing และโครงสร้างเร่งความเร็วไปใช้ใน WebGL นำเสนอความท้าทายและข้อควรพิจารณาที่ไม่เหมือนใคร:

Data Transfer and Memory Management

การถ่ายโอนข้อมูลจำนวนมาก (เช่น ข้อมูล vertex, โหนด BVH) จาก JavaScript ไปยัง GPU อาจเป็นคอขวด เทคนิคการถ่ายโอนข้อมูลที่มีประสิทธิภาพมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการบรรลุประสิทธิภาพที่ดี การใช้ typed arrays (เช่น Float32Array, Uint32Array) และการลดจำนวนการถ่ายโอนข้อมูลสามารถช่วยลดค่าใช้จ่ายได้

การจัดการหน่วยความจำก็มีความสำคัญเช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับฉากขนาดใหญ่ WebGL มีทรัพยากรหน่วยความจำที่จำกัด และจำเป็นต้องจัดสรรและปล่อยหน่วยความจำอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดหน่วยความจำหมด

Shader Performance

ตรรกะ raytracing และ BVH traversal โดยทั่วไปจะถูกนำไปใช้ใน shaders (เช่น GLSL) การเพิ่มประสิทธิภาพโค้ด shader มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการบรรลุประสิทธิภาพที่ดี ซึ่งรวมถึงการลดจำนวนคำสั่ง การใช้ประเภทข้อมูลที่มีประสิทธิภาพ และการหลีกเลี่ยงการแตกแขนง

ตัวอย่าง: แทนที่จะใช้คำสั่ง `if` ทั่วไปเพื่อตรวจสอบการตัดกันของรังสี-AABB ให้ใช้อัลกอริทึม slab intersection ที่ปรับให้เหมาะสมเพื่อประสิทธิภาพที่ดีขึ้น อัลกอริทึม slab intersection ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับ AABB และสามารถนำไปใช้กับคำสั่งที่น้อยลงได้

Asynchronous Operations

การสร้างโครงสร้างเร่งความเร็วอาจเป็นกระบวนการที่ใช้เวลานาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับฉากขนาดใหญ่ การดำเนินการนี้แบบอะซิงโครนัส (เช่น การใช้ Web Workers) สามารถป้องกันไม่ให้เบราว์เซอร์ไม่ตอบสนอง เธรดหลักสามารถแสดงฉากต่อไปได้ในขณะที่โครงสร้างเร่งความเร็วกำลังถูกสร้างขึ้นในเบื้องหลัง

WebGPU

การถือกำเนิดของ WebGPU นำมาซึ่งการควบคุม GPU ที่มากขึ้นโดยตรง ซึ่งเปิดโอกาสให้มีการนำ raytracing ไปใช้ที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น ด้วยคุณสมบัติเช่น compute shaders นักพัฒนาสามารถจัดการหน่วยความจำได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นและนำโครงสร้างเร่งความเร็วที่กำหนดเองไปใช้ได้ สิ่งนี้ส่งผลให้ประสิทธิภาพดีขึ้นเมื่อเทียบกับ WebGL แบบเดิม

ตัวอย่างแอปพลิเคชันระดับโลก

Raytracing ใน WebGL ซึ่งเร่งความเร็วโดยการจัดระเบียบข้อมูลเชิงพื้นที่ที่มีประสิทธิภาพ ปลดล็อกความเป็นไปได้ใหม่ๆ สำหรับแอปพลิเคชันระดับโลกต่างๆ:

• Interactive Product Configurators: ช่วยให้ลูกค้าจากทั่วโลกสามารถปรับแต่งผลิตภัณฑ์ (เช่น เฟอร์นิเจอร์ รถยนต์) ได้แบบเรียลไทม์ด้วยการเรนเดอร์ที่สมจริง ลองนึกภาพบริษัทเฟอร์นิเจอร์ในยุโรปที่อนุญาตให้ผู้ใช้ในเอเชียเห็นภาพว่าโซฟาจะดูเป็นอย่างไรในห้องนั่งเล่นของพวกเขาด้วยผ้าและสภาพแสงที่แตกต่างกัน ทั้งหมดนี้อยู่ในเว็บเบราว์เซอร์
• Architectural Visualization: อนุญาตให้สถาปนิกและนักออกแบบทั่วโลกสร้างและสำรวจการเรนเดอร์ที่สมจริงของอาคารและการตกแต่งภายในในเบราว์เซอร์ บริษัทออกแบบในออสเตรเลียสามารถทำงานร่วมกับลูกค้าในอเมริกาเหนือในโครงการก่อสร้าง โดยใช้ WebGL raytracing เพื่อแสดงภาพการเปลี่ยนแปลงการออกแบบแบบเรียลไทม์
• Scientific Visualization: แสดงภาพชุดข้อมูลทางวิทยาศาสตร์ที่ซับซ้อน (เช่น การสแกนทางการแพทย์ แบบจำลองสภาพอากาศ) ในรูปแบบ 3 มิติที่มีความคมชัดของภาพสูง นักวิจัยทั่วโลกสามารถวิเคราะห์ข้อมูลร่วมกันผ่านภาพที่ raytraced โดยละเอียด
• Gaming and Entertainment: สร้างประสบการณ์การเล่นเกมที่สมจริงด้วยแสงและเงาที่สมจริง ซึ่งผู้เล่นทั่วโลกสามารถเข้าถึงได้ผ่านเว็บเบราว์เซอร์ของพวกเขา
• E-commerce: ปรับปรุงประสบการณ์การช็อปปิ้งออนไลน์โดยมอบภาพผลิตภัณฑ์ที่สมจริง ตัวอย่างเช่น ผู้ค้าปลีกเครื่องประดับในฮ่องกงสามารถแสดงความฉลาดและการสะท้อนของเพชรของพวกเขาด้วยการเรนเดอร์แบบ raytraced ทำให้ผู้ซื้อที่มีศักยภาพทั่วโลกสามารถชื่นชมคุณภาพของอัญมณีได้

ข้อมูลเชิงลึกที่นำไปปฏิบัติได้จริงและแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด

• เลือกโครงสร้างเร่งความเร็วที่เหมาะสม: พิจารณาลักษณะของฉากของคุณ (เช่น คงที่เทียบกับไดนามิก จำนวนไพรมิทิฟ) เมื่อเลือกโครงสร้างเร่งความเร็ว โดยทั่วไป BVH เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับฉากส่วนใหญ่ แต่โครงสร้างอื่นๆ เช่น k-d trees หรือ uniform grids อาจเหมาะสมกว่าสำหรับกรณีการใช้งานเฉพาะ
• เพิ่มประสิทธิภาพการสร้าง BVH: ใช้ SAH สำหรับ BVH คุณภาพสูง แต่พิจารณากลยุทธ์การแยกที่ง่ายกว่า เช่น spatial median หรือ object median เพื่อเวลาในการสร้างที่เร็วขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในฉากไดนามิก
• ใช้ bounding volume ที่กระชับ: เลือกประเภท bounding volume ที่พอดีกับรูปทรงเรขาคณิตอย่างใกล้ชิดเพื่อลดจำนวนผลบวกปลอมระหว่างการทดสอบการตัดกันของรังสี-bounding volume
• เพิ่มประสิทธิภาพการจัดลำดับโหนด: ทดลองกับเทคนิคการจัดลำดับโหนดที่แตกต่างกัน (เช่น depth-first, breadth-first, linearization) เพื่อปรับปรุง cache coherency และประสิทธิภาพการข้าม
• ลดการถ่ายโอนข้อมูล: ใช้ typed arrays และลดจำนวนการถ่ายโอนข้อมูลระหว่าง JavaScript และ GPU
• เพิ่มประสิทธิภาพโค้ด shader: ลดจำนวนคำสั่ง ใช้ประเภทข้อมูลที่มีประสิทธิภาพ และหลีกเลี่ยงการแตกแขนงใน shaders ของคุณ
• ใช้การดำเนินการแบบอะซิงโครนัส: ทำการสร้าง BVH และการดำเนินการที่ใช้เวลานานอื่นๆ แบบอะซิงโครนัสเพื่อป้องกันไม่ให้เบราว์เซอร์ไม่ตอบสนอง
• ใช้ประโยชน์จาก WebGPU: สำรวจความสามารถของ WebGPU เพื่อการจัดการหน่วยความจำที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นและการนำโครงสร้างเร่งความเร็วที่กำหนดเองไปใช้
• โปรไฟล์และเกณฑ์มาตรฐาน: โปรไฟล์และเกณฑ์มาตรฐานโค้ดของคุณเป็นประจำเพื่อระบุคอขวดด้านประสิทธิภาพและเพิ่มประสิทธิภาพตามนั้น ใช้เครื่องมือนักพัฒนาซอฟต์แวร์เบราว์เซอร์เพื่อวิเคราะห์อัตราเฟรม การใช้หน่วยความจำ และประสิทธิภาพ shader

สรุป

โครงสร้างเร่งความเร็วมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการบรรลุประสิทธิภาพ raytracing แบบเรียลไทม์ใน WebGL ด้วยการจัดระเบียบข้อมูลเชิงพื้นที่อย่างมีประสิทธิภาพ โครงสร้างเหล่านี้จะลดจำนวนการทดสอบการตัดกันของรังสี-ไพรมิทิฟ และเปิดใช้งานการเรนเดอร์ฉาก 3 มิติที่ซับซ้อน การทำความเข้าใจโครงสร้างเร่งความเร็วประเภทต่างๆ เทคนิคการจัดระเบียบข้อมูลเชิงพื้นที่ และข้อควรพิจารณาเฉพาะของ WebGL เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการพัฒนาแอปพลิเคชัน raytracing ที่มีประสิทธิภาพสูงและเข้าถึงได้ทั่วโลก ในขณะที่ WebGPU พัฒนาต่อไป ความเป็นไปได้สำหรับการทำ raytracing ในเบราว์เซอร์จะขยายออกไปมากยิ่งขึ้น ซึ่งจะเปิดใช้งานแอปพลิเคชันใหม่ๆ ที่น่าตื่นเต้นในอุตสาหกรรมต่างๆ