Структура прискорення трасування променів у WebGL: організація просторових даних для глобальних 3D-застосунків

Трасування променів — це потужна техніка рендерингу, яка симулює поведінку світла в реальному світі. Вона створює фотореалістичні зображення, відстежуючи шлях світлових променів через сцену. Хоча трасування променів забезпечує вищу візуальну якість, воно є обчислювально інтенсивним. Для досягнення реального часу або інтерактивної частоти кадрів, особливо в браузерних застосунках WebGL, необхідні структури прискорення. Ця стаття розглядає фундаментальні концепції структур прискорення, що використовуються в трасуванні променів у WebGL, зосереджуючись на організації просторових даних та її впливі на продуктивність.

Необхідність у структурах прискорення

Без структур прискорення трасування променів передбачає перевірку перетину кожного променя з кожним об'єктом на сцені. Цей підхід «грубої сили» призводить до складності O(n) для кожного променя, де 'n' — кількість примітивів (трикутників, сфер тощо) на сцені. Для складних сцен з мільйонами примітивів це стає надзвичайно затратним.

Структури прискорення вирішують цю проблему, організовуючи геометрію сцени таким чином, щоб дозволити швидко відкидати великі частини сцени, які навряд чи будуть перетнуті певним променем. Вони зменшують кількість тестів на перетин променя з примітивом, значно покращуючи продуктивність рендерингу. Уявіть, що ви шукаєте конкретну книгу в бібліотеці. Без каталогу (структури прискорення) вам довелося б перевіряти кожну книгу на кожній полиці. Каталог дозволяє швидко знайти відповідний розділ і ефективно знайти книгу. Структури прискорення виконують аналогічну функцію в трасуванні променів.

Поширені структури прискорення

У трасуванні променів зазвичай використовуються кілька типів структур прискорення. Найпоширенішою є Ієрархія обмежувальних об'ємів (BVH), але також застосовуються інші, такі як k-d дерева та рівномірні сітки. Ця стаття зосереджується на BVH через їхню гнучкість та ефективність у роботі з різноманітними сценами.

Ієрархія обмежувальних об'ємів (BVH)

BVH — це деревоподібна структура даних, де кожен вузол представляє обмежувальний об'єм, що охоплює набір примітивів. Кореневий вузол охоплює всю сцену, а кожен внутрішній вузол — підмножину геометрії сцени. Листові вузли містять посилання на фактичні примітиви (наприклад, трикутники).

Основний принцип BVH полягає в тестуванні променя на перетин з обмежувальним об'ємом вузла. Якщо промінь не перетинає обмежувальний об'єм, він не може перетнути жоден із примітивів, що містяться в цьому вузлі, і ми можемо пропустити обхід піддерева. Якщо промінь перетинає обмежувальний об'єм, ми рекурсивно обходимо дочірні вузли, доки не досягнемо листових вузлів, де виконуємо тести на перетин променя з примітивом.

Побудова BVH:

Побудова BVH є вирішальним кроком, який значно впливає на її продуктивність. Добре побудована BVH мінімізує кількість тестів на перетин променя з обмежувальним об'ємом. Існує два основних підходи до побудови BVH: зверху вниз і знизу вгору.

• Побудова зверху вниз: Цей підхід починається з кореневого вузла і рекурсивно поділяє його, доки не будуть виконані певні критерії завершення. Процес поділу зазвичай включає вибір площини розбиття, яка ділить примітиви на дві групи. Вибір площини розбиття є критичним. Поширені стратегії включають:
• Розбиття за просторовою медіаною: Ділить примітиви на основі їхнього просторового положення вздовж осі (наприклад, X, Y або Z). Це простий і швидкий метод, але він не завжди призводить до збалансованих дерев.
• Розбиття за медіаною об'єктів: Ділить примітиви на основі медіани їхніх центроїдів. Це часто створює краще збалансовані дерева, ніж розбиття за просторовою медіаною.
• Евристика площі поверхні (SAH): Це більш складний підхід, який оцінює вартість обходу дерева на основі площі поверхні обмежувальних об'ємів. SAH має на меті мінімізувати очікувану вартість обходу, вибираючи площину розбиття, що призводить до найнижчої загальної вартості. SAH зазвичай створює найефективніші BVH, але є також найдорожчим у побудові.
• Побудова знизу вгору: Цей підхід починається з окремих примітивів як листових вузлів і ітеративно об'єднує їх у більші обмежувальні об'єми, доки не буде сформовано єдиний кореневий вузол. Це менш поширено для BVH у трасуванні променів, але може бути корисним у динамічних сценах, де геометрія часто змінюється.

Критерії завершення:

Процес поділу триває, доки не буде виконано критерій завершення. Поширені критерії завершення включають:

• Максимальна глибина дерева: Обмежує глибину дерева, щоб запобігти надмірному використанню пам'яті або накладним витратам на обхід.
• Мінімальна кількість примітивів у вузлі: Зупиняє поділ вузла, коли він містить невелику кількість примітивів. Типове значення — 1-4 примітиви.
• Поріг вартості: Зупиняє поділ вузла, коли орієнтовна вартість подальшого поділу перевищує певний поріг.

Обхід BVH:

Алгоритм обходу BVH — це рекурсивний процес, який ефективно визначає, які примітиви на сцені перетинає даний промінь. Алгоритм починається з кореневого вузла і виконується наступним чином:

1. Перевірити промінь на перетин з обмежувальним об'ємом поточного вузла.
2. Якщо промінь не перетинає обмежувальний об'єм, обхід для цього вузла та його піддерева припиняється.
3. Якщо промінь перетинає обмежувальний об'єм, алгоритм рекурсивно обходить дочірні вузли.
4. Коли досягнуто листового вузла, алгоритм виконує тести на перетин променя з кожним примітивом, що міститься в цьому листовому вузлі.

Техніки організації просторових даних

Спосіб організації даних у структурі прискорення значно впливає на її продуктивність. Для оптимізації організації просторових даних використовуються кілька технік:

Щільність обмежувальних об'ємів

Більш щільні обмежувальні об'єми зменшують ймовірність хибнопозитивних спрацювань під час тестів на перетин променя з обмежувальним об'ємом. Щільний обмежувальний об'єм тісно прилягає до вміщеної геометрії, мінімізуючи порожній простір навколо неї. Поширені типи обмежувальних об'ємів включають:

• Вирівняні за осями обмежувальні рамки (AABB): AABB є найпоширенішим типом обмежувальних об'ємів завдяки їх простоті та ефективності. Вони визначаються мінімальними та максимальними координатами вздовж кожної осі. AABB легко будувати та перевіряти на перетин з променями.
• Орієнтовані обмежувальні рамки (OBB): OBB є більш щільними, ніж AABB, особливо для об'єктів, які не вирівняні з осями координат. Однак, OBB дорожчі у побудові та перевірці на перетин з променями.
• Сфери: Сфери прості у побудові та перевірці на перетин з променями, але вони можуть не підходити для всіх типів геометрії.

Вибір відповідного типу обмежувального об'єму залежить від конкретного застосунку та компромісу між щільністю та продуктивністю.

Порядок вузлів і розміщення в пам'яті

Порядок, у якому вузли зберігаються в пам'яті, може значно вплинути на когерентність кешу та продуктивність обходу. Зберігання вузлів, до яких, ймовірно, буде спільний доступ, у суміжних ділянках пам'яті може покращити використання кешу та зменшити затримку доступу до пам'яті.

Поширені техніки впорядкування вузлів включають:

• Порядок в глибину: Вузли зберігаються в тому порядку, в якому вони відвідуються під час обходу дерева в глибину. Цей підхід може покращити когерентність кешу для променів, які проходять довгий шлях через дерево.
• Порядок в ширину: Вузли зберігаються в тому порядку, в якому вони відвідуються під час обходу дерева в ширину. Цей підхід може покращити когерентність кешу для променів, які перетинають велику кількість вузлів на одному рівні дерева.
• Лінеаризація: BVH лінеаризується в плаский масив, часто з використанням коду Мортона або подібної кривої, що заповнює простір. Це може покращити когерентність кешу та забезпечити ефективний обхід на GPU.

Оптимальна техніка впорядкування вузлів залежить від конкретної архітектури апаратного забезпечення та характеристик сцени.

Порядок примітивів

Порядок, у якому примітиви зберігаються в листових вузлах, також може впливати на продуктивність. Групування просторово когерентних примітивів може покращити когерентність кешу та зменшити кількість кеш-промахів під час тестів на перетин променя з примітивом. Техніки, такі як криві, що заповнюють простір (наприклад, порядок Мортона), можуть використовуватися для впорядкування примітивів на основі їхнього просторового розташування.

Особливості WebGL

Реалізація трасування променів та структур прискорення в WebGL створює унікальні виклики та особливості:

Передача даних та управління пам'яттю

Передача великих обсягів даних (наприклад, даних вершин, вузлів BVH) з JavaScript на GPU може стати вузьким місцем. Ефективні техніки передачі даних є вирішальними для досягнення хорошої продуктивності. Використання типізованих масивів (наприклад, Float32Array, Uint32Array) та мінімізація кількості передач даних можуть допомогти зменшити накладні витрати.

Управління пам'яттю також є важливим, особливо для великих сцен. WebGL має обмежені ресурси пам'яті, і важливо ефективно виділяти та звільняти пам'ять, щоб уникнути помилок браку пам'яті.

Продуктивність шейдерів

Логіка трасування променів та обходу BVH зазвичай реалізується в шейдерах (наприклад, GLSL). Оптимізація коду шейдерів є вирішальною для досягнення хорошої продуктивності. Це включає мінімізацію кількості інструкцій, використання ефективних типів даних та уникнення розгалужень.

Приклад: Замість використання загальної інструкції `if` для перевірки перетину променя з AABB, використовуйте оптимізований алгоритм перетину плит (slab intersection) для кращої продуктивності. Алгоритм перетину плит спеціально розроблений для AABB і може бути реалізований з меншою кількістю інструкцій.

Асинхронні операції

Побудова структури прискорення може бути тривалим процесом, особливо для великих сцен. Виконання цієї операції асинхронно (наприклад, за допомогою Web Workers) може запобігти зависанню браузера. Основний потік може продовжувати рендеринг сцени, поки структура прискорення будується у фоновому режимі.

WebGPU

Поява WebGPU надає більш прямий контроль над GPU, відкриваючи можливості для більш складних реалізацій трасування променів. Завдяки таким функціям, як обчислювальні шейдери, розробники можуть ефективніше керувати пам'яттю та реалізовувати власні структури прискорення. Це призводить до покращення продуктивності порівняно з традиційним WebGL.

Приклади глобальних застосунків

Трасування променів у WebGL, прискорене ефективною організацією просторових даних, відкриває нові можливості для різноманітних глобальних застосунків:

• Інтерактивні конфігуратори продуктів: Дозволяють клієнтам з усього світу налаштовувати продукти (наприклад, меблі, автомобілі) в реальному часі з фотореалістичним рендерингом. Уявіть європейську меблеву компанію, яка дозволяє користувачам в Азії візуалізувати, як диван виглядатиме в їхній вітальні з різними тканинами та умовами освітлення, і все це в межах веб-браузера.
• Архітектурна візуалізація: Дозволяє архітекторам та дизайнерам по всьому світу створювати та досліджувати реалістичні рендери будівель та інтер'єрів у браузері. Дизайнерська фірма в Австралії може співпрацювати з клієнтами в Північній Америці над проєктом будівлі, використовуючи трасування променів у WebGL для візуалізації змін у дизайні в реальному часі.
• Наукова візуалізація: Візуалізація складних наукових наборів даних (наприклад, медичних сканів, кліматичних моделей) у 3D з високою візуальною точністю. Дослідники з усього світу можуть спільно аналізувати дані за допомогою детальних зображень, отриманих трасуванням променів.
• Ігри та розваги: Створення захопливих ігрових вражень з реалістичним освітленням та тінями, доступних для гравців по всьому світу через їхні веб-браузери.
• Електронна комерція: Покращення досвіду онлайн-покупок шляхом надання реалістичних візуалізацій продуктів. Наприклад, ювелірний магазин у Гонконзі може демонструвати блиск та відблиски своїх діамантів за допомогою трасування променів, дозволяючи потенційним покупцям по всьому світу оцінити якість каменів.

Практичні поради та найкращі практики

• Вибирайте правильну структуру прискорення: Враховуйте характеристики вашої сцени (наприклад, статична чи динамічна, кількість примітивів) при виборі структури прискорення. BVH зазвичай є хорошим вибором для більшості сцен, але інші структури, такі як k-d дерева або рівномірні сітки, можуть бути більш доречними для конкретних випадків.
• Оптимізуйте побудову BVH: Використовуйте SAH для високоякісних BVH, але розглядайте простіші стратегії розбиття, такі як просторова медіана або медіана об'єктів, для швидшої побудови, особливо в динамічних сценах.
• Використовуйте щільні обмежувальні об'єми: Вибирайте тип обмежувального об'єму, який щільно прилягає до геометрії, щоб зменшити кількість хибнопозитивних спрацювань під час тестів на перетин променя з обмежувальним об'ємом.
• Оптимізуйте порядок вузлів: Експериментуйте з різними техніками впорядкування вузлів (наприклад, в глибину, в ширину, лінеаризація), щоб покращити когерентність кешу та продуктивність обходу.
• Мінімізуйте передачу даних: Використовуйте типізовані масиви та мінімізуйте кількість передач даних між JavaScript та GPU.
• Оптимізуйте код шейдерів: Мінімізуйте кількість інструкцій, використовуйте ефективні типи даних та уникайте розгалужень у ваших шейдерах.
• Використовуйте асинхронні операції: Виконуйте побудову BVH та інші тривалі операції асинхронно, щоб запобігти зависанню браузера.
• Використовуйте переваги WebGPU: Досліджуйте можливості WebGPU для більш ефективного управління пам'яттю та реалізації власних структур прискорення.
• Профілюйте та тестуйте: Регулярно профілюйте та тестуйте свій код, щоб виявляти вузькі місця в продуктивності та відповідно оптимізувати його. Використовуйте інструменти розробника в браузері для аналізу частоти кадрів, використання пам'яті та продуктивності шейдерів.

Висновок

Структури прискорення є ключовими для досягнення продуктивності трасування променів у реальному часі в WebGL. Ефективно організовуючи просторові дані, ці структури зменшують кількість тестів на перетин променя з примітивом і дозволяють рендеринг складних 3D-сцен. Розуміння різних типів структур прискорення, технік організації просторових даних та специфічних для WebGL особливостей є вирішальним для розробки високопродуктивних, глобально доступних застосунків з трасуванням променів. Оскільки WebGPU продовжує розвиватися, можливості для трасування променів у браузері будуть розширюватися ще більше, відкриваючи нові та захопливі застосунки в різних галузях.