WebGL Raytracing: WebGL Hisoblash Sheyderlari Yordamida Real Vaqtdagi Nurlarni Kuzatish

Nurlarni kuzatish, o'zining fotorealistik tasvirlari bilan mashhur bo'lgan renderlash texnikasi, an'anaviy ravishda hisoblash uchun ko'p resurs talab qilgan va oflayn renderlash jarayonlari uchun mo'ljallangan edi. Biroq, GPU texnologiyasidagi yutuqlar va hisoblash sheyderlarining joriy etilishi WebGL doirasida real vaqtdagi nurlarni kuzatishga yo'l ochdi va veb-ilovalarga yuqori sifatli grafikalarni olib keldi. Ushbu maqola veb-grafika chegaralarini kengaytirishga qiziqqan global dasturchilar auditoriyasiga mo'ljallangan bo'lib, WebGL'da hisoblash sheyderlari yordamida real vaqtdagi nurlarni kuzatishni amalga oshirish bo'yicha to'liq qo'llanmani taqdim etadi.

Nurlarni Kuzatish Nima?

Nurlarni kuzatish yorug'likning real dunyoda qanday harakatlanishini simulyatsiya qiladi. Poligonlarni rasterizatsiya qilish o'rniga, nurlarni kuzatish kameradan (yoki ko'zdan) ekrandagi har bir piksel orqali sahnaga nurlarni yo'naltiradi. Bu nurlar ob'ektlar bilan kesishadi va o'sha ob'ektlarning material xususiyatlariga asoslanib, pikselning rangi yorug'likning sirt bilan qanday qaytarilishi va o'zaro ta'sirini hisoblash orqali aniqlanadi. Bu jarayon aks etish, sinish va soyalarni o'z ichiga olishi mumkin, natijada juda realistik tasvirlar hosil bo'ladi.

Nurlarni Kuzatishdagi Asosiy Tushunchalar:

• Nurlarni Otish: Kameradan sahnaga nurlarni yo'naltirish jarayoni.
• Kesishish Testlari: Nurning sahnadagi ob'ektlar bilan qayerda kesishishini aniqlash.
• Sirt Normallari: Kesishish nuqtasidagi sirtga perpendikulyar vektorlar, aks etish va sinishni hisoblash uchun ishlatiladi.
• Material Xususiyatlari: Sirtning yorug'lik bilan qanday o'zaro ta'sir qilishini belgilaydi (masalan, rang, aks ettirish qobiliyati, g'adir-budurlik).
• Soya Nurlari: Kesishish nuqtasi soyada yoki yo'qligini aniqlash uchun kesishish nuqtasidan yorug'lik manbalariga yo'naltirilgan nurlar.
• Aks Etish va Sinish Nurlari: Aks etish va sinishni simulyatsiya qilish uchun kesishish nuqtasidan yo'naltirilgan nurlar.

Nega WebGL va Hisoblash Sheyderlari?

WebGL plaginlardan foydalanmasdan veb-brauzerda 2D va 3D grafikalarni renderlash uchun kross-platformali API taqdim etadi. WebGL 2.0 bilan joriy qilingan hisoblash sheyderlari GPU'da umumiy maqsadli hisoblashlarni amalga oshirish imkonini beradi. Bu bizga nurlarni kuzatish hisob-kitoblarini samarali bajarish uchun GPU'ning parallel ishlov berish quvvatidan foydalanish imkonini beradi.

Nurlarni Kuzatish uchun WebGL'dan Foydalanishning Afzalliklari:

• Kross-platforma Muvofiqligi: WebGL operatsion tizimdan qat'i nazar, har qanday zamonaviy veb-brauzerda ishlaydi.
• Apparat Tezlashtirish: Tez renderlash uchun GPU'dan foydalanadi.
• Plaginlar Talab Qilinmaydi: Foydalanuvchilardan qo'shimcha dasturiy ta'minot o'rnatish zaruratini yo'q qiladi.
• Ommaboplik: Veb orqali nurlarni kuzatishni kengroq auditoriya uchun ochiq qiladi.

Hisoblash Sheyderlaridan Foydalanishning Afzalliklari:

• Parallel Ishlov Berish: Samarali nurlarni kuzatish hisob-kitoblari uchun GPU'larning massiv parallel arxitekturasidan foydalanadi.
• Moslashuvchanlik: Nurlarni kuzatish uchun maxsus algoritmlar va optimallashtirishlarga imkon beradi.
• GPU'ga To'g'ridan-to'g'ri Kirish: Kattaroq nazorat uchun an'anaviy renderlash konveyerini chetlab o'tadi.

Amalga Oshirishning Umumiy Ko'rinishi

WebGL'da hisoblash sheyderlari yordamida nurlarni kuzatishni amalga oshirish bir necha asosiy bosqichlarni o'z ichiga oladi:

1. WebGL Kontekstini Sozlash: WebGL kontekstini yaratish va kerakli kengaytmalarni yoqish (WebGL 2.0 talab qilinadi).
2. Hisoblash Sheyderlarini Yaratish: Nurlarni kuzatish hisob-kitoblarini bajaradigan hisoblash sheyderi uchun GLSL kodini yozish.
3. Shader Storage Buffer Objects (SSBO'lar) Yaratish: Sahna ma'lumotlari, nur ma'lumotlari va yakuniy tasvirni saqlash uchun GPU'da xotira ajratish.
4. Hisoblash Sheyderini Ishga Tushirish: Ma'lumotlarni qayta ishlash uchun hisoblash sheyderini ishga tushirish.
5. Natijalarni O'qib Olish: Render qilingan tasvirni SSBO'dan olish va uni ekranda ko'rsatish.

Amalga Oshirishning Batafsil Bosqichlari

1. WebGL Kontekstini Sozlash

Birinchi qadam WebGL 2.0 kontekstini yaratishdir. Bu HTML'dan canvas elementini olish va keyin WebGL2RenderingContext'ni so'rashni o'z ichiga oladi. Kontekst muvaffaqiyatli yaratilganligini ta'minlash uchun xatolarni boshqarish juda muhimdir.

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

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

              
                Copy
              
            
          

2. Hisoblash Sheyderlarini Yaratish

Nur kuzatuvchisining yadrosi GLSL'da yozilgan hisoblash sheyderidir. Bu sheyder nurlarni otish, kesishish testlarini o'tkazish va har bir pikselning rangini hisoblash uchun mas'ul bo'ladi. Hisoblash sheyderi ish guruhlari to'plamida ishlaydi, har biri tasvirning kichik bir qismini qayta ishlaydi.

Bu yerda piksel koordinatalariga asoslangan oddiy rangni hisoblaydigan hisoblash sheyderining soddalashtirilgan misoli keltirilgan:

            #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
              
            
          

Ushbu sheyder 8x8 o'lchamdagi ish guruhini, `pixels` deb nomlangan chiqish buferini va ekran o'lchamlari uchun uniform o'zgaruvchini belgilaydi. Har bir ish elementi (piksel) o'z rangini o'rniga qarab hisoblaydi va uni chiqish buferiga yozadi.

3. Shader Storage Buffer Objects (SSBO'lar) Yaratish

SSBO'lar CPU va GPU o'rtasida almashinadigan ma'lumotlarni saqlash uchun ishlatiladi. Bu holda, biz SSBO'lardan sahna ma'lumotlarini (masalan, uchburchak cho'qqilari, material xususiyatlari), nur ma'lumotlarini va yakuniy render qilingan tasvirni saqlash uchun foydalanamiz. SSBO'ni yarating, uni bog'lanish nuqtasiga ulang va boshlang'ich ma'lumotlar bilan to'ldiring.

            // SSBO yaratish
const outputBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, outputBuffer);
gl.bufferData(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, imageWidth * imageHeight * 4 * 4, gl.DYNAMIC_COPY);

// SSBO'ni 0-bog'lanish nuqtasiga ulash
gl.bindBufferBase(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, 0, outputBuffer);

            

              
                Copy
              
            
          

4. Hisoblash Sheyderini Ishga Tushirish

Hisoblash sheyderini ishga tushirish uchun biz uni dispetcherlashimiz kerak. Bu har bir o'lchamda ishga tushiriladigan ish guruhlari sonini belgilashni o'z ichiga oladi. Ish guruhlari soni piksellarning umumiy sonini sheyderda belgilangan ish guruhi hajmiga bo'lish orqali aniqlanadi.

            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` hisoblash sheyderini ishga tushiradi. `gl.memoryBarrier` CPU uni o'qishga harakat qilishidan oldin GPU'ning SSBO'ga yozishni tugatganligini ta'minlaydi.

5. Natijalarni O'qib Olish

Hisoblash sheyderi bajarib bo'lingandan so'ng, biz render qilingan tasvirni SSBO'dan CPU'ga qaytarib o'qishimiz kerak. Bu CPU'da bufer yaratishni va keyin `gl.getBufferSubData` yordamida ma'lumotlarni SSBO'dan CPU buferiga nusxalashni o'z ichiga oladi. Nihoyat, ma'lumotlardan foydalanib tasvir elementini yarating.

            // Tasvir ma'lumotlarini saqlash uchun CPU'da bufer yaratish
const imageData = new Float32Array(imageWidth * imageHeight * 4);

// O'qish uchun SSBO'ni ulash
gl.bindBuffer(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, outputBuffer);
gl.getBufferSubData(gl.SHADER_STORAGE_BUFFER, 0, imageData);

// Ma'lumotlardan tasvir elementini yaratish ('OffscreenCanvas' kabi kutubxonadan foydalanish misoli)
// Tasvirni ekranda ko'rsatish

            

              
                Copy
              
            
          

Sahna Tasviri va Tezlashtirish Strukturalari

Nurlarni kuzatishning muhim jihati - bu nurlar va sahnadagi ob'ektlar o'rtasidagi kesishish nuqtalarini samarali topishdir. Har bir nur har bir ob'ektga qarshi sinovdan o'tkaziladigan to'g'ridan-to'g'ri kesishish testlari hisoblash jihatidan qimmatga tushadi. Ishlash samaradorligini oshirish uchun sahna ma'lumotlarini tartibga solish va berilgan nur bilan kesishishi dargumon bo'lgan ob'ektlarni tezda chetlab o'tish uchun tezlashtirish strukturalari ishlatiladi.

Keng Tarqalgan Tezlashtirish Strukturalari:

• Chegaralovchi Hajmlar Ierarxiyasi (BVH): Har bir tugun bir qator ob'ektlarni o'rab turgan chegaralovchi hajmni ifodalovchi ierarxik daraxt tuzilmasi. Bu sahnaning katta qismlarini tezda rad etishga imkon beradi.
• Kd-Daraxti: Sahnaani rekursiv ravishda kichikroq hududlarga bo'ladigan bo'shliqni taqsimlash ma'lumotlar tuzilmasi.
• Fazoviy Xeshlash: Sahnaani kataklar to'riga bo'lib, ob'ektlarni ular kesib o'tgan kataklarda saqlaydi.

WebGL nurlarni kuzatish uchun, BVH'lar ko'pincha ularning amalga oshirishning nisbatan osonligi va yaxshi ishlashi tufayli afzal ko'riladi. BVH'ni amalga oshirish quyidagi bosqichlarni o'z ichiga oladi:

1. Chegaralovchi Qutini Hisoblash: Sahnadagi har bir ob'ekt uchun chegaralovchi qutini hisoblash (masalan, uchburchaklar).
2. Daraxt Qurish: Har bir barg tuguni oz sonli ob'ektlarni o'z ichiga olguncha sahnaani rekursiv ravishda kichikroq chegaralovchi qutilarga bo'lish. Umumiy bo'linish mezonlari eng uzun o'qning o'rta nuqtasi yoki sirt maydoni evristikasi (SAH) ni o'z ichiga oladi.
3. Aylanib Chiqish: Nurlarni kuzatish paytida BVH'ni ildiz tugunidan boshlab aylanib chiqish. Agar nur tugunning chegaralovchi qutisini kesib o'tsa, uning bolalarini rekursiv ravishda aylanib chiqish. Agar nur barg tugunini kesib o'tsa, o'sha tugun tarkibidagi ob'ektlarga nisbatan kesishish testlarini bajarish.

GLSL'dagi BVH tuzilmasi misoli (soddalashtirilgan):

            struct BVHNode {
  vec3 min;
  vec3 max;
  int leftChild;
  int rightChild;
  int triangleOffset; // Ushbu tugundagi birinchi uchburchak indeksi
  int triangleCount;  // Ushbu tugundagi uchburchaklar soni
};

            

              
                Copy
              
            
          

Nur-Uchburchak Kesishishi

Nurlarni kuzatishdagi eng asosiy kesishish testi bu nur-uchburchak kesishishidir. Ushbu testni bajarish uchun ko'plab algoritmlar mavjud, jumladan, samaradorligi va soddaligi tufayli keng qo'llaniladigan Möller–Trumbore algoritmi.

Möller–Trumbore Algoritmi:

Möller–Trumbore algoritmi chiziqli tenglamalar tizimini yechish orqali nurning uchburchak bilan kesishish nuqtasini hisoblaydi. U baritsentrik koordinatalarni hisoblashni o'z ichiga oladi, bu esa kesishish nuqtasining uchburchak ichidagi o'rnini aniqlaydi. Agar baritsentrik koordinatalar [0, 1] oralig'ida bo'lsa va ularning yig'indisi 1 ga teng yoki undan kichik bo'lsa, nur uchburchakni kesib o'tadi.

GLSL kod misoli:

            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;    // Nur uchburchakka parallel

  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;

  // Bu bosqichda biz kesishish nuqtasi chiziqning qayerida ekanligini bilish uchun t ni hisoblashimiz mumkin.
  t = f * dot(edge2, q);

  if (t > 0.0001) // nur kesishishi
  {
    return true;
  }
  else // Bu chiziq kesishishi borligini, lekin nur kesishishi yo'qligini anglatadi.
    return false;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Soyalash va Yoritish

Kesishish nuqtasi topilgandan so'ng, keyingi qadam piksel rangini hisoblashdir. Bu kesishish nuqtasida yorug'likning sirt bilan qanday o'zaro ta'sir qilishini aniqlashni o'z ichiga oladi. Keng tarqalgan soyalash modellari quyidagilarni o'z ichiga oladi:

• Fong Soyalashi: Yorug'likning diffuz va spekulyar komponentlarini hisoblaydigan oddiy soyalash modeli.
• Blinn-Fong Soyalashi: Spekulyar komponentni hisoblash uchun yarim vektor ishlatadigan Fong soyalashining takomillashtirilgan varianti.
• Fizikaga Asoslangan Renderlash (PBR): Materiallarning fizik xususiyatlarini hisobga oladigan yanada realistik soyalash modeli.

Nurlarni kuzatish rasterizatsiyaga qaraganda global yoritish, aks etish va sinish kabi ilg'or yoritish effektlariga imkon beradi. Bu effektlar kesishish nuqtasidan qo'shimcha nurlar otish orqali amalga oshirilishi mumkin.

Misol: Diffuz Yoritishni Hisoblash

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

            

              
                Copy
              
            
          

Unumdorlik Masalalari va Optimizatsiyalar

Nurlarni kuzatish hisoblash jihatidan intensivdir va WebGL'da real vaqtda ishlashni ta'minlash ehtiyotkorlik bilan optimallashtirishni talab qiladi. Mana bir nechta asosiy texnikalar:

• Tezlashtirish Strukturalari: Yuqorida aytib o'tilganidek, kesishish testlari sonini kamaytirish uchun BVH kabi tezlashtirish tuzilmalaridan foydalanish juda muhimdir.
• Nurni Erta To'xtatish: Agar nurlar yakuniy tasvirga sezilarli hissa qo'shmasa, ularni erta to'xtating. Masalan, soya nurlari biror ob'ektga urilishi bilanoq to'xtatilishi mumkin.
• Adaptiv Namuna Olish: Sahna murakkabligiga qarab, har bir piksel uchun o'zgaruvchan miqdordagi namunalardan foydalaning. Yuqori detallarga yoki murakkab yoritishga ega hududlar ko'proq namunalar bilan render qilinishi mumkin.
• Shovqinni Kamaytirish (Denoising): Render qilingan tasvirdagi shovqinni kamaytirish uchun shovqinni kamaytirish algoritmlaridan foydalaning, bu esa har bir piksel uchun kamroq namunalar olishga imkon beradi.
• Hisoblash Sheyderini Optimizatsiyalash: Xotiraga kirishlarni minimallashtirish, vektor operatsiyalaridan foydalanish va shartli o'tishlardan qochish orqali hisoblash sheyderi kodini optimallashtiring.
• Ish Guruhi Hajmini Sozlash: Maqsadli GPU uchun optimal konfiguratsiyani topish uchun turli ish guruhi o'lchamlari bilan tajriba o'tkazing.
• Apparat Nurlarni Kuzatishdan Foydalanish (agar mavjud bo'lsa): Ba'zi GPU'lar endi nurlarni kuzatish uchun maxsus apparat ta'minotini taklif qiladi. WebGL'da ushbu funksionallikni taqdim etadigan kengaytmalarni tekshiring va ulardan foydalaning.

Global Misollar va Qo'llanmalar

WebGL'dagi nurlarni kuzatish butun dunyo bo'ylab turli sohalarda ko'plab potentsial qo'llanmalarga ega:

• O'yinlar: Veb-o'yinlarning vizual sifatini realistik yoritish, aks etish va soyalar bilan oshirish.
• Mahsulot Vizualizatsiyasi: E-tijorat va marketing uchun fotorealistik renderlash bilan mahsulotlarning interaktiv 3D modellarini yaratish. Masalan, Shvetsiyadagi mebel kompaniyasi mijozlarga o'z uylarida mebellarni aniq yoritish va aks etish bilan vizualizatsiya qilish imkonini berishi mumkin.
• Arxitektura Vizualizatsiyasi: Arxitektura loyihalarini realistik yoritish va materiallar bilan vizualizatsiya qilish. Dubaydagi arxitektura firmasi aniq quyosh nuri va soya simulyatsiyalari bilan bino loyihalarini namoyish qilish uchun nurlarni kuzatishdan foydalanishi mumkin.
• Virtual Haqiqat (VR) va To'ldirilgan Haqiqat (AR): Nurlarni kuzatish effektlarini qo'shish orqali VR va AR tajribalarining realizmini yaxshilash. Masalan, Londondagi muzey nurlarni kuzatish orqali yaxshilangan vizual tafsilotlar bilan VR turini taklif qilishi mumkin.
• Ilmiy Vizualizatsiya: Murakkab ilmiy ma'lumotlarni realistik renderlash texnikalari bilan vizualizatsiya qilish. Yaponiyadagi tadqiqot laboratoriyasi molekulyar tuzilmalarni aniq yoritish va soyalar bilan vizualizatsiya qilish uchun nurlarni kuzatishdan foydalanishi mumkin.
• Ta'lim: Optika va yorug'lik transporti tamoyillarini namoyish etuvchi interaktiv ta'lim vositalarini ishlab chiqish.

Qiyinchiliklar va Kelajakdagi Yo'nalishlar

WebGL'da real vaqtdagi nurlarni kuzatish tobora amalga oshiriladigan bo'lib borayotgan bo'lsa-da, bir nechta muammolar saqlanib qolmoqda:

• Unumdorlik: Murakkab sahnalar bilan yuqori kadr tezligiga erishish hali ham qiyin.
• Murakkablik: To'liq huquqli nur kuzatuvchisini amalga oshirish katta dasturlash harakatlarini talab qiladi.
• Apparat Qo'llab-quvvatlashi: Barcha GPU'lar hisoblash sheyderlari yoki apparat nurlarni kuzatish uchun kerakli kengaytmalarni qo'llab-quvvatlamaydi.

WebGL nurlarni kuzatish uchun kelajakdagi yo'nalishlar quyidagilarni o'z ichiga oladi:

• Yaxshilangan Apparat Qo'llab-quvvatlashi: Ko'proq GPU'lar maxsus nurlarni kuzatish apparatlarini o'z ichiga olgan sari, unumdorlik sezilarli darajada yaxshilanadi.
• Standartlashtirilgan API'lar: WebGL'da apparat nurlarni kuzatish uchun standartlashtirilgan API'larning rivojlanishi amalga oshirish jarayonini soddalashtiradi.
• Ilg'or Shovqinni Kamaytirish Texnikalari: Murakkabroq shovqinni kamaytirish algoritmlari kamroq namunalar bilan yuqori sifatli tasvirlarga erishish imkonini beradi.
• WebAssembly (Wasm) bilan Integratsiya: Nur kuzatuvchisining hisoblash jihatidan intensiv qismlarini amalga oshirish uchun WebAssembly'dan foydalanish unumdorlikni oshirishi mumkin.

Xulosa

WebGL'da hisoblash sheyderlari yordamida real vaqtdagi nurlarni kuzatish - bu veb-grafikani inqilob qilish potentsialiga ega bo'lgan tez rivojlanayotgan sohadir. Nurlarni kuzatish asoslarini tushunish, hisoblash sheyderlarining kuchidan foydalanish va optimallashtirish texnikalarini qo'llash orqali dasturchilar bir vaqtlar veb-brauzerda imkonsiz deb hisoblangan ajoyib vizual tajribalarni yaratishlari mumkin. Apparat va dasturiy ta'minot yaxshilanishda davom etar ekan, kelgusi yillarda veb-saytda nurlarni kuzatishning yanada ta'sirchan qo'llanmalarini ko'rishimizni kutishimiz mumkin, bu esa zamonaviy brauzerga ega har qanday qurilmadan global auditoriya uchun ochiq bo'ladi.

Ushbu qo'llanma WebGL'da real vaqtdagi nurlarni kuzatishni amalga oshirish bilan bog'liq tushunchalar va texnikalarning keng qamrovli ko'rinishini taqdim etdi. Biz butun dunyodagi dasturchilarni ushbu texnikalar bilan tajriba o'tkazishga va veb-grafika rivojiga hissa qo'shishga undaymiz.