Tiện ích mở rộng Ray Tracing của WebGL: Khai phóng Sức mạnh Ray Tracing Tăng tốc Phần cứng trên Web

Trong nhiều năm, ray tracing đã được coi là Chén Thánh của ngành đồ họa máy tính, hứa hẹn mang lại những hình ảnh chân thực như ảnh chụp với ánh sáng, phản xạ và bóng đổ chính xác. Mặc dù theo truyền thống chỉ dành cho kết xuất ngoại tuyến do yêu cầu tính toán cao, những tiến bộ gần đây trong phần cứng đã biến ray tracing thời gian thực thành hiện thực. Giờ đây, với sự ra đời của các tiện ích mở rộng ray tracing WebGL, công nghệ mạnh mẽ này sẵn sàng cách mạng hóa đồ họa trên nền tảng web.

Ray Tracing là gì?

Ray tracing là một kỹ thuật kết xuất mô phỏng cách ánh sáng tương tác với các vật thể trong một khung cảnh. Thay vì raster hóa (rasterizing) các đa giác, ray tracing theo dõi đường đi của các tia sáng từ camera, dò chúng qua khung cảnh cho đến khi chúng giao nhau với các vật thể. Bằng cách tính toán màu sắc và cường độ của mỗi tia, ray tracing tạo ra những hình ảnh có ánh sáng, phản xạ và bóng đổ chân thực.

Không giống như rasterization, vốn chỉ mô phỏng gần đúng các hiệu ứng này, ray tracing cung cấp một sự biểu diễn chính xác hơn về mặt vật lý của sự truyền ánh sáng, mang lại hình ảnh tuyệt đẹp. Tuy nhiên, sự chính xác này đi kèm với một chi phí tính toán đáng kể, khiến cho ray tracing thời gian thực trở thành một thách thức lớn.

Sự trỗi dậy của Ray Tracing Tăng tốc Phần cứng

Để khắc phục những hạn chế về tính toán của ray tracing truyền thống, các nhà sản xuất card đồ họa đã phát triển phần cứng chuyên dụng để tăng tốc các phép tính ray tracing. Các công nghệ như RTX của NVIDIA và dòng Radeon RX của AMD tích hợp các lõi ray tracing chuyên biệt giúp tăng hiệu suất đáng kể, làm cho ray tracing thời gian thực trở nên khả thi.

Những tiến bộ về phần cứng này đã mở đường cho các kỹ thuật kết xuất mới tận dụng ray tracing để đạt được mức độ chân thực chưa từng có. Trò chơi, mô phỏng và các ứng dụng khác hiện đang tích hợp các hiệu ứng phản xạ, bóng đổ, chiếu sáng toàn cục được dò tia, và nhiều hơn nữa, tạo ra những trải nghiệm đắm chìm và mãn nhãn.

Tiện ích mở rộng Ray Tracing của WebGL: Mang Ray Tracing lên Web

WebGL, API tiêu chuẩn để kết xuất đồ họa 2D và 3D tương tác trong trình duyệt web, từ trước đến nay chủ yếu dựa vào rasterization. Tuy nhiên, với sự ra đời của các tiện ích mở rộng ray tracing, WebGL giờ đây có khả năng khai thác sức mạnh của ray tracing tăng tốc phần cứng. Điều này mở ra một thế giới khả năng cho đồ họa trên nền tảng web, cho phép các nhà phát triển tạo ra những trải nghiệm chân thực và hấp dẫn hơn ngay trong trình duyệt.

Các tiện ích mở rộng này cung cấp một cơ chế để truy cập phần cứng ray tracing cơ bản thông qua JavaScript và GLSL (OpenGL Shading Language), ngôn ngữ shading được WebGL sử dụng. Bằng cách tận dụng các tiện ích mở rộng này, các nhà phát triển có thể tích hợp ray tracing vào các ứng dụng web của họ, tận dụng lợi ích về hiệu suất của phần cứng ray tracing chuyên dụng.

Các Tiện ích mở rộng Ray Tracing WebGL chính:

• GL_EXT_ray_tracing: Tiện ích mở rộng cốt lõi này cung cấp nền tảng cho ray tracing trong WebGL, định nghĩa các hàm và cấu trúc dữ liệu ray tracing cơ bản. Nó cho phép các nhà phát triển tạo ra các cấu trúc tăng tốc, khởi chạy các tia và truy cập kết quả ray tracing.
• GL_EXT_acceleration_structure: Tiện ích mở rộng này định nghĩa các cấu trúc tăng tốc, là các cấu trúc dữ liệu phân cấp được sử dụng để giao cắt tia với hình học của cảnh một cách hiệu quả. Xây dựng và quản lý các cấu trúc tăng tốc là một bước quan trọng trong ray tracing, vì nó ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất.
• GL_EXT_ray_query: Tiện ích mở rộng này cung cấp một cơ chế để truy vấn kết quả ray tracing, chẳng hạn như khoảng cách va chạm, hình học va chạm, và pháp tuyến bề mặt tại điểm giao cắt. Thông tin này rất cần thiết cho các tính toán shading và chiếu sáng.

Lợi ích của Ray Tracing trong WebGL

Việc giới thiệu các tiện ích mở rộng ray tracing vào WebGL mang lại một số lợi ích đáng kể:

• Chất lượng hình ảnh nâng cao: Ray tracing cho phép kết xuất phản xạ, bóng đổ và chiếu sáng toàn cục một cách chân thực hơn, dẫn đến những trải nghiệm web mãn nhãn và đắm chìm.
• Cải thiện hiệu suất: Ray tracing tăng tốc phần cứng mang lại lợi ích hiệu suất đáng kể so với các kỹ thuật dựa trên rasterization truyền thống, cho phép xử lý các cảnh phức tạp và chi tiết hơn.
• Khả năng sáng tạo mới: Ray tracing mở ra những khả năng sáng tạo mới cho các nhà phát triển web, cho phép họ tạo ra các ứng dụng đổi mới và hấp dẫn về mặt hình ảnh mà trước đây không thể thực hiện được.
• Tương thích đa nền tảng: WebGL là một API đa nền tảng, có nghĩa là các ứng dụng ray tracing được phát triển bằng WebGL sẽ chạy trên mọi thiết bị có trình duyệt và phần cứng tương thích.
• Khả năng tiếp cận: WebGL cung cấp một nền tảng tiện lợi và dễ tiếp cận để triển khai các ứng dụng ray tracing, vì người dùng có thể chỉ cần truy cập chúng thông qua trình duyệt web mà không cần cài đặt thêm bất kỳ phần mềm nào.

Các trường hợp sử dụng của WebGL Ray Tracing

WebGL ray tracing có một loạt các ứng dụng tiềm năng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau:

• Trò chơi (Gaming): Ray tracing có thể nâng cao độ trung thực hình ảnh của các trò chơi trên nền tảng web, tạo ra những trải nghiệm chơi game đắm chìm và chân thực hơn. Hãy tưởng tượng bạn đang chơi một game bắn súng góc nhìn thứ nhất với phản xạ và bóng đổ được dò tia, hoặc khám phá một thế giới ảo với ánh sáng toàn cục chân thực.
• Trực quan hóa sản phẩm: Ray tracing có thể được sử dụng để tạo ra các kết xuất sản phẩm chân thực, cho phép khách hàng hình dung chúng một cách chi tiết trước khi mua hàng. Ví dụ, một nhà bán lẻ đồ nội thất có thể sử dụng ray tracing để trưng bày kết cấu và ánh sáng của sản phẩm trong một phòng trưng bày ảo.
• Trực quan hóa kiến trúc: Các kiến trúc sư có thể sử dụng ray tracing để tạo ra các hình ảnh trực quan hóa chân thực về các tòa nhà và nội thất, cho phép khách hàng khám phá các thiết kế của họ một cách chi tiết. Điều này có thể giúp khách hàng hiểu rõ hơn về thiết kế và đưa ra quyết định sáng suốt. Hãy tưởng tượng việc khám phá một mô hình ảo của một tòa nhà với ánh sáng và phản xạ chân thực, cho phép bạn trải nghiệm không gian trước khi nó được xây dựng.
• Thực tế ảo (VR) và Thực tế tăng cường (AR): Ray tracing có thể nâng cao tính chân thực của các trải nghiệm VR và AR, tạo ra các môi trường đắm chìm và hấp dẫn hơn. Ví dụ, ray tracing có thể được sử dụng để tạo ra bóng đổ và phản xạ chân thực trong một trò chơi VR, hoặc để chồng các vật thể ảo lên thế giới thực một cách chính xác trong một ứng dụng AR.
• Trực quan hóa khoa học: Ray tracing có thể được sử dụng để trực quan hóa các dữ liệu khoa học phức tạp, chẳng hạn như mô phỏng động lực học chất lỏng hoặc cấu trúc phân tử. Điều này có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về dữ liệu của họ và thực hiện những khám phá mới.
• Giáo dục: Ray tracing có thể được sử dụng để tạo ra các mô phỏng giáo dục tương tác, cho phép học sinh khám phá các khái niệm phức tạp một cách trực quan và hấp dẫn. Ví dụ, một mô phỏng vật lý có thể sử dụng ray tracing để mô phỏng chính xác hành vi của ánh sáng, cho phép học sinh hình dung các nguyên tắc của quang học.

Các cân nhắc về kỹ thuật

Mặc dù WebGL ray tracing mang lại nhiều lợi ích, cũng có một số cân nhắc kỹ thuật cần ghi nhớ:

• Yêu cầu phần cứng: Ray tracing đòi hỏi phần cứng chuyên dụng, chẳng hạn như GPU NVIDIA RTX hoặc dòng AMD Radeon RX. Các ứng dụng sử dụng ray tracing sẽ không chạy, hoặc sẽ chạy rất kém, trên các hệ thống không có phần cứng này.
• Tối ưu hóa hiệu suất: Ray tracing có thể tốn nhiều tài nguyên tính toán, vì vậy việc tối ưu hóa cảnh và mã ray tracing để đạt được hiệu suất tốt là rất quan trọng. Điều này có thể bao gồm việc sử dụng các kỹ thuật như mức độ chi tiết (LOD) và lấy mẫu thích ứng (adaptive sampling).
• Quản lý cấu trúc tăng tốc: Xây dựng và quản lý các cấu trúc tăng tốc là rất quan trọng đối với hiệu suất ray tracing. Các nhà phát triển cần xem xét cẩn thận việc lựa chọn cấu trúc tăng tốc và chiến lược cập nhật nó khi cảnh thay đổi.
• Độ phức tạp của Shader: Các shader ray tracing có thể phức tạp, đòi hỏi sự hiểu biết tốt về GLSL và các thuật toán ray tracing. Các nhà phát triển có thể cần học các kỹ thuật mới để viết các shader ray tracing hiệu quả và hiệu lực.
• Gỡ lỗi (Debugging): Gỡ lỗi mã ray tracing có thể là một thách thức, vì nó liên quan đến việc dò đường đi của từng tia riêng lẻ. Các nhà phát triển có thể cần sử dụng các công cụ gỡ lỗi chuyên dụng để xác định và sửa lỗi.

Ví dụ: Triển khai phản xạ Ray-Traced trong WebGL

Hãy xem xét một ví dụ đơn giản về cách triển khai phản xạ được dò tia trong WebGL bằng cách sử dụng các tiện ích mở rộng ray tracing. Ví dụ này giả định bạn đã thiết lập một cảnh WebGL cơ bản với camera, biểu đồ cảnh và hệ thống vật liệu.

1. Tạo một cấu trúc tăng tốc (Acceleration Structure):

   Đầu tiên, bạn cần tạo một cấu trúc tăng tốc đại diện cho hình học của cảnh. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng tiện ích mở rộng GL_EXT_acceleration_structure. Cấu trúc tăng tốc sẽ được sử dụng để giao cắt các tia với cảnh một cách hiệu quả.

2. Viết một Ray Generation Shader:

   Tiếp theo, bạn cần viết một ray generation shader để khởi chạy các tia từ camera. Shader này sẽ lặp qua các pixel trên màn hình và tạo ra một tia cho mỗi pixel.

   Đây là một ví dụ đơn giản về ray generation shader:

               #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. Viết một Closest Hit Shader:

   Bạn cũng cần viết một closest hit shader sẽ được thực thi khi một tia giao cắt với một vật thể. Shader này sẽ tính toán màu sắc của vật thể tại điểm giao cắt và trả về nó dưới dạng giá trị va chạm (hit value).

   Đây là một ví dụ đơn giản về closest hit shader:

               #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. Khởi chạy Ray Tracing Pipeline:

   Cuối cùng, bạn cần khởi chạy ray tracing pipeline. Điều này bao gồm việc liên kết (binding) cấu trúc tăng tốc, ray generation shader, và closest hit shader, sau đó điều phối các phép tính ray tracing.

5. Triển khai Phản xạ:

   Trong closest hit shader, thay vì chỉ đơn giản trả về màu bề mặt, hãy tính toán vector phản xạ. Sau đó, khởi chạy một tia mới theo hướng phản xạ để xác định màu sắc của vật thể được phản chiếu. Điều này đòi hỏi phải gọi đệ quy ray tracing pipeline (trong giới hạn để tránh vòng lặp vô hạn) hoặc sử dụng một lượt xử lý (pass) riêng cho phản xạ. Màu cuối cùng sẽ là sự kết hợp của màu bề mặt và màu phản xạ.

   Đây là một ví dụ đơn giản, và một triển khai thực tế sẽ liên quan đến các phép tính phức tạp hơn, chẳng hạn như xử lý nhiều lần nảy tia, lấy mẫu các nguồn sáng khác nhau và áp dụng khử răng cưa. Hãy nhớ lưu ý đến hiệu suất vì ray tracing có thể rất tốn kém về mặt tính toán.

Tương lai của Ray Tracing trong WebGL

Ray tracing trong WebGL vẫn còn ở giai đoạn đầu, nhưng nó có tiềm năng biến đổi đồ họa trên nền tảng web. Khi ray tracing tăng tốc phần cứng trở nên phổ biến hơn, chúng ta có thể kỳ vọng sẽ thấy ngày càng nhiều ứng dụng web tích hợp công nghệ này. Điều này sẽ dẫn đến những trải nghiệm web chân thực và hấp dẫn hơn trong nhiều ngành công nghiệp.

Hơn nữa, các nỗ lực phát triển và tiêu chuẩn hóa đang diễn ra trong Khronos Group, tổ chức chịu trách nhiệm về WebGL, có khả năng sẽ dẫn đến những cải tiến hơn nữa trong API và tăng cường sự chấp nhận của các nhà cung cấp trình duyệt. Điều này sẽ làm cho ray tracing trở nên dễ tiếp cận hơn với các nhà phát triển web và thúc đẩy sự phát triển của hệ sinh thái ray tracing WebGL.

Tương lai của ray tracing trong WebGL rất tươi sáng, và chúng ta có thể kỳ vọng sẽ thấy nhiều phát triển thú vị hơn nữa trong những năm tới. Khi công nghệ trưởng thành, nó sẽ mở ra những khả năng mới cho đồ họa trên nền tảng web và tạo ra một thế hệ trải nghiệm đắm chìm và mãn nhãn mới.

Tác động toàn cầu và Khả năng tiếp cận

Sự ra đời của ray tracing trong WebGL có tiềm năng tác động đáng kể đến khả năng tiếp cận toàn cầu đối với đồ họa chất lượng cao. Các ứng dụng đồ họa cao cấp truyền thống thường đòi hỏi phần cứng và phần mềm chuyên dụng, hạn chế khả năng tiếp cận của chúng đối với các cá nhân và tổ chức không có đủ nguồn lực.

WebGL, là một công nghệ dựa trên web, cung cấp một cách tiếp cận dân chủ hóa hơn. Miễn là người dùng có quyền truy cập vào một trình duyệt và phần cứng tương thích (ngày càng phổ biến với việc áp dụng đồ họa tích hợp có khả năng ray tracing), họ có thể trải nghiệm các khả năng đồ họa tiên tiến này. Điều này đặc biệt có lợi ở các khu vực có quyền truy cập hạn chế vào phần cứng cao cấp hoặc nơi giấy phép phần mềm chuyên dụng có chi phí quá cao.

Hơn nữa, tính chất đa nền tảng của WebGL đảm bảo rằng các ứng dụng có thể chạy trên nhiều loại thiết bị, từ máy tính để bàn và máy tính xách tay đến điện thoại di động và máy tính bảng. Điều này càng mở rộng phạm vi tiếp cận của công nghệ ray tracing, giúp nó có thể đến được với một lượng lớn khán giả toàn cầu.

Tuy nhiên, điều quan trọng là phải thừa nhận khả năng tồn tại khoảng cách số dựa trên năng lực phần cứng. Mặc dù phần cứng có khả năng ray tracing đang trở nên phổ biến hơn, nó vẫn chưa có mặt ở khắp mọi nơi. Các nhà phát triển nên cố gắng tạo ra các ứng dụng có thể mở rộng và thích ứng với các cấu hình phần cứng khác nhau, đảm bảo rằng người dùng có thiết bị kém mạnh hơn vẫn có thể có được trải nghiệm tích cực.

Kết luận

Các tiện ích mở rộng ray tracing của WebGL đại diện cho một bước tiến đáng kể trong sự phát triển của đồ họa trên nền tảng web. Bằng cách mang ray tracing tăng tốc phần cứng đến các trình duyệt web, những tiện ích mở rộng này mở ra một thế giới khả năng để tạo ra những trải nghiệm chân thực, hấp dẫn và đắm chìm hơn. Mặc dù có những cân nhắc về kỹ thuật cần lưu ý, lợi ích của ray tracing trong WebGL là không thể phủ nhận, và chúng ta có thể kỳ vọng nó sẽ đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong tương lai của web.

Khi công nghệ trưởng thành và được áp dụng rộng rãi hơn, nó sẽ trao quyền cho các nhà phát triển web để tạo ra các ứng dụng đổi mới và mãn nhãn mà trước đây không thể tưởng tượng được. Tương lai của đồ họa web rất tươi sáng, và ray tracing trong WebGL sẵn sàng trở thành một động lực chính của sự tiến hóa đó.