Розширення WebGL для трасування променів: впровадження апаратно-прискореного трасування променів у вебі

Роками трасування променів було святим Граалем комп'ютерної графіки, обіцяючи фотореалістичні зображення з точним освітленням, віддзеркаленнями та тінями. Хоча традиційно воно використовувалося для офлайн-рендерингу через свою обчислювальну інтенсивність, останні досягнення в апаратному забезпеченні зробили трасування променів у реальному часі реальністю. Тепер, з появою розширень WebGL для трасування променів, ця потужна технологія готова здійснити революцію у веб-графіці.

Що таке трасування променів?

Трасування променів — це техніка рендерингу, яка симулює взаємодію світла з об'єктами у сцені. Замість растеризації полігонів, трасування променів відстежує шлях світлових променів від камери, прослідковуючи їх через сцену до перетину з об'єктами. Розраховуючи колір та інтенсивність кожного променя, трасування променів створює зображення з реалістичним освітленням, віддзеркаленнями та тінями.

На відміну від растеризації, яка апроксимує ці ефекти, трасування променів забезпечує більш фізично точне представлення переносу світла, що призводить до приголомшливих візуальних ефектів. Однак ця точність досягається значною обчислювальною ціною, що робить трасування променів у реальному часі складним завданням.

Поява апаратно-прискореного трасування променів

Щоб подолати обчислювальні обмеження традиційного трасування променів, виробники відеокарт розробили спеціалізоване апаратне забезпечення для прискорення обчислень трасування променів. Такі технології, як RTX від NVIDIA та Radeon RX від AMD, містять спеціалізовані ядра для трасування променів, які значно підвищують продуктивність, роблячи можливим трасування променів у реальному часі.

Ці апаратні досягнення проклали шлях для нових технік рендерингу, які використовують трасування променів для досягнення безпрецедентного рівня реалізму. Ігри, симуляції та інші застосунки тепер включають віддзеркалення, тіні, глобальне освітлення та багато іншого, створене за допомогою трасування променів, створюючи захоплюючі та візуально приголомшливі враження.

Розширення WebGL для трасування променів: перенесення трасування променів у веб

WebGL, стандартний API для рендерингу інтерактивної 2D та 3D графіки у веб-браузерах, традиційно покладався на растеризацію. Однак із впровадженням розширень для трасування променів WebGL тепер може використовувати потужність апаратно-прискореного трасування променів. Це відкриває цілий світ можливостей для веб-графіки, дозволяючи розробникам створювати більш реалістичні та захоплюючі враження безпосередньо в браузері.

Ці розширення надають механізм доступу до базового апаратного забезпечення для трасування променів через JavaScript та GLSL (OpenGL Shading Language), мову шейдерів, що використовується у WebGL. Використовуючи ці розширення, розробники можуть інтегрувати трасування променів у свої веб-застосунки, користуючись перевагами продуктивності спеціалізованого апаратного забезпечення для трасування променів.

Ключові розширення WebGL для трасування променів:

• GL_EXT_ray_tracing: Це основне розширення, що закладає основу для трасування променів у WebGL, визначаючи фундаментальні функції та структури даних для трасування променів. Воно дозволяє розробникам створювати структури прискорення, запускати промені та отримувати доступ до результатів трасування.
• GL_EXT_acceleration_structure: Це розширення визначає структури прискорення, які є ієрархічними структурами даних, що використовуються для ефективного перетину променів з геометрією сцени. Створення та керування структурами прискорення є вирішальним кроком у трасуванні променів, оскільки це значно впливає на продуктивність.
• GL_EXT_ray_query: Це розширення надає механізм для запиту результатів трасування променів, таких як відстань до точки перетину, геометрія перетину та нормаль поверхні в точці перетину. Ця інформація є важливою для розрахунків затінення та освітлення.

Переваги трасування променів у WebGL

Впровадження розширень для трасування променів у WebGL пропонує кілька значних переваг:

• Покращена візуальна якість: Трасування променів дозволяє більш реалістично відтворювати віддзеркалення, тіні та глобальне освітлення, що призводить до створення візуально приголомшливих та захоплюючих веб-досвідів.
• Підвищена продуктивність: Апаратно-прискорене трасування променів забезпечує значний приріст продуктивності порівняно з традиційними техніками на основі растеризації, дозволяючи створювати більш складні та деталізовані сцени.
• Нові творчі можливості: Трасування променів відкриває нові творчі можливості для веб-розробників, дозволяючи їм створювати інноваційні та візуально привабливі застосунки, які раніше були неможливими.
• Кросплатформна сумісність: WebGL є кросплатформним API, що означає, що застосунки для трасування променів, розроблені за допомогою WebGL, працюватимуть на будь-якому пристрої з сумісним браузером та апаратним забезпеченням.
• Доступність: WebGL надає зручну та доступну платформу для розгортання застосунків трасування променів, оскільки користувачі можуть просто отримати до них доступ через веб-браузер без необхідності встановлювати будь-яке додаткове програмне забезпечення.

Сфери застосування трасування променів у WebGL

Трасування променів у WebGL має широкий спектр потенційних застосувань у різних галузях:

• Ігри: Трасування променів може підвищити візуальну якість веб-ігор, створюючи більш захоплюючі та реалістичні ігрові досвіди. Уявіть, як ви граєте в шутер від першої особи з віддзеркаленнями та тінями, створеними за допомогою трасування променів, або досліджуєте віртуальний світ з реалістичним глобальним освітленням.
• Візуалізація продуктів: Трасування променів можна використовувати для створення реалістичних рендерів продуктів, дозволяючи клієнтам детально їх розглянути перед покупкою. Наприклад, продавець меблів може використовувати трасування променів, щоб продемонструвати текстури та освітлення своїх товарів у віртуальному шоу-румі.
• Архітектурна візуалізація: Архітектори можуть використовувати трасування променів для створення реалістичних візуалізацій будівель та інтер'єрів, дозволяючи клієнтам детально вивчати їхні проєкти. Це може допомогти клієнтам краще зрозуміти дизайн та прийняти обґрунтовані рішення. Уявіть, як ви досліджуєте віртуальну модель будівлі з реалістичним освітленням та віддзеркаленнями, що дозволяє відчути простір ще до його будівництва.
• Віртуальна реальність (VR) та доповнена реальність (AR): Трасування променів може підвищити реалізм досвідів у VR та AR, створюючи більш захоплюючі та привабливі середовища. Наприклад, трасування променів можна використовувати для створення реалістичних тіней та віддзеркалень у VR-грі або для точного накладання віртуальних об'єктів на реальний світ у AR-застосунку.
• Наукова візуалізація: Трасування променів можна використовувати для візуалізації складних наукових даних, таких як симуляції динаміки рідин або молекулярних структур. Це може допомогти вченим краще зрозуміти свої дані та робити нові відкриття.
• Освіта: Трасування променів можна використовувати для створення інтерактивних освітніх симуляцій, що дозволяють студентам досліджувати складні концепції у візуально привабливий спосіб. Наприклад, фізична симуляція може використовувати трасування променів для точного моделювання поведінки світла, дозволяючи студентам візуалізувати принципи оптики.

Технічні аспекти

Хоча трасування променів у WebGL пропонує багато переваг, є також кілька технічних аспектів, які слід враховувати:

• Вимоги до апаратного забезпечення: Трасування променів вимагає спеціалізованого апаратного забезпечення, такого як графічні процесори NVIDIA RTX або AMD Radeon RX. Застосунки, що використовують трасування променів, не працюватимуть або працюватимуть погано на системах без цього обладнання.
• Оптимізація продуктивності: Трасування променів може бути обчислювально інтенсивним, тому важливо оптимізувати сцену та код трасування променів для досягнення хорошої продуктивності. Це може включати використання таких технік, як рівень деталізації (LOD) та адаптивна вибірка.
• Керування структурами прискорення: Створення та керування структурами прискорення є вирішальними для продуктивності трасування променів. Розробникам потрібно ретельно обміркувати вибір структури прискорення та стратегію її оновлення при зміні сцени.
• Складність шейдерів: Шейдери для трасування променів можуть бути складними, вимагаючи доброго розуміння GLSL та алгоритмів трасування променів. Розробникам може знадобитися вивчити нові техніки для написання ефективних шейдерів для трасування променів.
• Налагодження: Налагодження коду для трасування променів може бути складним, оскільки воно включає відстеження шляхів окремих променів. Розробникам може знадобитися використовувати спеціалізовані інструменти для налагодження, щоб виявляти та виправляти помилки.

Приклад: реалізація віддзеркалень за допомогою трасування променів у WebGL

Розглянемо спрощений приклад реалізації віддзеркалень за допомогою трасування променів у WebGL з використанням розширень для трасування променів. Цей приклад передбачає, що у вас є базова сцена WebGL з камерою, графом сцени та системою матеріалів.

1. Створення структури прискорення:

   Спочатку вам потрібно створити структуру прискорення, яка представляє геометрію сцени. Це можна зробити за допомогою розширення GL_EXT_acceleration_structure. Структура прискорення буде використовуватися для ефективного перетину променів зі сценою.

2. Написання шейдера генерації променів:

   Далі вам потрібно написати шейдер генерації променів, який буде запускати промені від камери. Цей шейдер буде ітерувати по пікселях на екрані та генерувати промінь для кожного пікселя.

   Ось спрощений приклад шейдера генерації променів:

               #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. Написання шейдера найближчого влучення:

   Вам також потрібно написати шейдер найближчого влучення, який буде виконуватися, коли промінь перетинає об'єкт. Цей шейдер розрахує колір об'єкта в точці перетину та поверне його як значення влучення.

   Ось спрощений приклад шейдера найближчого влучення:

               #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. Запуск конвеєра трасування променів:

   Нарешті, вам потрібно запустити конвеєр трасування променів. Це включає прив'язку структури прискорення, шейдера генерації променів та шейдера найближчого влучення, а потім запуск обчислень трасування променів.

5. Реалізація віддзеркалень:

   У шейдері найближчого влучення, замість простого повернення кольору поверхні, розрахуйте вектор відбиття. Потім запустіть новий промінь у напрямку відбиття, щоб визначити колір відбитого об'єкта. Це вимагає рекурсивного виклику конвеєра трасування променів (з обмеженнями, щоб уникнути нескінченних циклів) або використання окремого проходу для віддзеркалень. Остаточний колір буде комбінацією кольору поверхні та кольору відбиття.

   Це спрощений приклад, і реальна реалізація включала б більш складні обчислення, такі як обробка кількох відбиттів, вибірка різних джерел освітлення та застосування згладжування. Пам'ятайте про продуктивність, оскільки трасування променів може бути обчислювально витратним.

Майбутнє трасування променів у WebGL

Трасування променів у WebGL все ще перебуває на ранній стадії, але воно має потенціал трансформувати веб-графіку. Оскільки апаратно-прискорене трасування променів стає все більш доступним, ми можемо очікувати, що все більше веб-застосунків будуть включати цю технологію. Це призведе до створення більш реалістичних та захоплюючих веб-досвідів у широкому спектрі галузей.

Крім того, постійні розробки та стандартизаційні зусилля в рамках Khronos Group, організації, відповідальної за WebGL, ймовірно, призведуть до подальших удосконалень API та збільшення його впровадження виробниками браузерів. Це зробить трасування променів більш доступним для веб-розробників та прискорить зростання екосистеми трасування променів у WebGL.

Майбутнє трасування променів у WebGL є світлим, і ми можемо очікувати ще більш захоплюючих розробок у найближчі роки. У міру того, як технологія зріє, вона відкриє нові можливості для веб-графіки та створить нове покоління захоплюючих та візуально приголомшливих досвідів.

Глобальний вплив та доступність

Поява трасування променів у WebGL має потенціал значно вплинути на глобальну доступність високоякісної графіки. Традиційні високоякісні графічні застосунки часто вимагають спеціалізованого апаратного та програмного забезпечення, що обмежує їх доступність для окремих осіб та організацій з достатніми ресурсами.

WebGL, будучи веб-технологією, пропонує більш демократизований підхід. Поки користувачі мають доступ до сумісного браузера та апаратного забезпечення (що стає все більш поширеним з впровадженням інтегрованої графіки з підтримкою трасування променів), вони можуть випробувати ці передові графічні можливості. Це особливо корисно в регіонах з обмеженим доступом до високоякісного обладнання або де ліцензії на спеціалізоване програмне забезпечення є занадто дорогими.

Більше того, кросплатформна природа WebGL гарантує, що застосунки можуть працювати на широкому спектрі пристроїв, від настільних комп'ютерів та ноутбуків до мобільних телефонів та планшетів. Це ще більше розширює охоплення технології трасування променів, роблячи її доступною для ширшої глобальної аудиторії.

Однак важливо визнати потенціал цифрового розриву на основі можливостей апаратного забезпечення. Хоча обладнання з підтримкою трасування променів стає все більш поширеним, воно все ще не є універсально доступним. Розробники повинні прагнути створювати застосунки, які є масштабованими та можуть адаптуватися до різних конфігурацій обладнання, гарантуючи, що користувачі з менш потужними пристроями все ще можуть мати позитивний досвід.

Висновок

Розширення WebGL для трасування променів є значним кроком вперед в еволюції веб-графіки. Переносячи апаратно-прискорене трасування променів у веб-браузери, ці розширення відкривають світ можливостей для створення більш реалістичних, захоплюючих та імерсивних досвідів. Хоча є технічні аспекти, які слід враховувати, переваги трасування променів у WebGL незаперечні, і ми можемо очікувати, що воно відіграватиме все більш важливу роль у майбутньому вебу.

У міру того, як технологія зріє та стає все більш поширеною, вона надасть веб-розробникам можливість створювати інноваційні та візуально приголомшливі застосунки, які раніше були немислимими. Майбутнє веб-графіки є світлим, і трасування променів у WebGL готове стати ключовим рушієм цієї еволюції.