解锁实时图形：通过硬件光线追踪核心集成加速 WebGL 光线追踪

实时图形的格局处于不断演变的状态。几十年来，光栅化一直是主力，通过将 3D 几何投影到 2D 屏幕上有效地渲染场景。然而，追求照片级真实感和日益复杂的视觉效果早已指向光线追踪作为最终解决方案。传统上，光线追踪对于实时应用程序来说计算成本过高，需要大量的处理能力，并且通常依赖于近似或离线渲染。然而，随着专用硬件光线追踪（RT）核心的出现以及 WebGL 等基于 Web 的图形 API 的新兴功能，一场范式转变正在进行中。本文将深入探讨将硬件 RT 核心功能集成到 WebGL 中的令人兴奋的前景，探讨技术基础、潜在优势、挑战以及这种突破性融合的未来轨迹。

实时渲染的演进：从光栅化到光线追踪

要理解硬件 RT 核心集成的意义，关键在于欣赏渲染技术的演进。光栅化虽然经过高度优化，但在准确模拟复杂的灯光现象（如逼真的反射、折射和全局光照）方面存在固有的困难。这些对于实现照片级真实感至关重要的效果，通常涉及模拟光线的路径，而这正是光线追踪的核心原理。

光栅化：此技术涉及将由多边形（通常是三角形）组成的 3D 模型转换为屏幕上的像素。这是一个迭代过程，可有效处理可见表面确定和着色。其优势在于速度和可扩展性，使其成为大多数实时图形应用程序（从视频游戏到交互式模拟）的支柱。

光线追踪：相比之下，光线追踪通过从相机向场景投射光线来模拟光线行为。当光线与物体相交时，会投射次级光线以确定其照明，包括来自其他物体的阴影、反射和折射。这种基于物理的方法产生了极其逼真的结果，但计算量很大。传统的光线追踪算法通常需要大量的处理能力，这使得实时实现成为一项重大挑战。

跨越游戏、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、建筑可视化、产品设计和电影制作等各个行业对更具沉浸感和视觉冲击力的体验的需求，不断推动着实时渲染的界限。在没有离线渲染的漫长等待时间的情况下实现照片级真实感质量一直是圣杯。

硬件光线追踪加速的兴起

使光线追踪在实时应用中可行的突破是专用硬件的开发。图形处理单元（GPU）已取得显著发展，现代架构集成了用于加速光线追踪计算的专用单元。NVIDIA 等公司率先推出了 RTX 平台，其中包含 RT Cores，AMD 也通过其 Ray Accelerators 紧随其后。这些硬件组件专为执行复杂的光线-几何相交测试和光线遍历所需的数学运算而设计，在这些任务上比通用着色器核心的性能高得多。

RT Cores（NVIDIA）：这些专用核心专为有效加速包围盒层次结构（BVH）遍历和光线-三角形相交计算而构建。BVH 是组织场景几何体的 [数据结构]，允许光线追踪引擎快速确定潜在的相交点并丢弃光线不太可能击中的大部分场景。

Ray Accelerators（AMD）：与 NVIDIA 的 RT Cores 类似，AMD 的 Ray Accelerators 是专用于加速光线追踪管线的硬件单元，特别是相交测试。

专用硬件的存在使得开发人员能够实现光线追踪效果，例如：

• 光线追踪反射：在表面上生成环境的高度准确的反射。
• 光线追踪阴影：产生柔和、逼真的阴影，准确考虑了本影。
• 光线追踪折射：模拟光线穿过玻璃或水等透明材料时如何弯曲。
• 全局光照 (GI)：计算光线如何从表面间接反弹，更自然地照亮场景并创建更统一的照明模型。

WebGL 与浏览器中高级渲染的需求

WebGL（Web 图形库）是一个 JavaScript API，用于在任何兼容的 Web 浏览器中渲染交互式 2D 和 3D 图形，而无需插件。它基于 OpenGL ES 构建，并提供了一种强大的方法，可以直接向用户提供丰富的视觉体验，无需下载或安装。

WebGL 的普及使其成为各种基于 Web 的应用程序的基石：

• 交互式数据可视化：以引人入胜的视觉方式呈现复杂数据集。
• 在线配置器和陈列室：允许用户在 3D 中自定义和查看产品。
• 教育工具和模拟：创造沉浸式学习体验。
• 基于 Web 的游戏：直接在浏览器中提供复杂的 [游戏] 体验。
• 虚拟旅游和房地产：提供对房产的沉浸式探索。
• 协作设计平台：实现团队之间实时 3D 模型交互。

虽然 WebGL 实现了令人印象深刻的壮举，但基于浏览器的渲染的限制在历史上意味着与原生应用程序相比，在视觉保真度和性能方面需要妥协。基于光栅化的技术虽然高效，但通常依赖于屏幕空间近似来获得反射和全局光照等效果，从而导致视觉伪影或简化的表示。

在浏览器中对更丰富、更逼真体验的需求日益增长。试想一下，建筑师能够直接在 Web 浏览器中展示对建筑物的完全光线追踪演练，或者汽车设计师展示超逼真的产品配置器。这就是将硬件 RT 核心功能集成到 WebGL 中成为游戏规则的改变者。

愿景：利用硬件 RT Cores 的 WebGL

核心思想是将硬件 RT 核心的功能公开给 WebGL 应用程序。这将允许开发人员直接通过 Web 技术利用专用光线追踪硬件的强大功能，从而弥合原生和 Web 渲染性能在高级照明和视觉效果方面的差距。

它的工作原理：

1. GPU 供应商支持：GPU 制造商需要提供驱动程序和 API，以一种 Web 浏览器可以与之交互的方式公开光线追踪功能。
2. 浏览器集成：Web 浏览器需要采用并公开这些新的 WebGL 扩展或新的图形 API（可能是 WebGL 的后继者或扩展，如 WebGPU，它已经为现代 GPU 架构进行了设计）。
3. 着色器语言扩展：需要在 WebGL 着色器语言（GLSL）或其后继者中添加新的着色器语言功能，以定义光线生成着色器、相交着色器、任意命中着色器和最近命中着色器。
4. 场景表示：需要将表示场景几何体的有效机制，特别是 BVH，公开给 Web 环境。

可能的 WebGL 扩展/API：

虽然 WebGL 2.0 进行了重大改进，但它不原生支持光线追踪硬件。未来可能在于：

• 实验性 WebGL 扩展：可以开发和提出特定的扩展来公开光线追踪功能。这些最初将是特定于供应商的或范围有限的。
• WebGPU：这是更有前途的途径。WebGPU 是 Web 的下一代图形 API，从头开始设计，用于利用现代 GPU 功能，包括计算着色器以及潜在的光线追踪功能。它提供了与底层硬件更直接的映射，并有望成为此类高级功能首次得到适当集成的平台。

示例场景：基于 Web 的建筑可视化

考虑一位建筑师正在进行客户演示。他们可以将其托管在网站上的完全交互式、光线追踪演练，而不是预渲染视频或桌面应用程序。世界各地的潜在客户可以打开 Web 浏览器，在房产中导航，并直接在实时中体验逼真的照明、阴影和反射，直接影响他们对设计的看法。

在 WebGL 中集成硬件 RT Cores 的优势

成功将硬件 RT 核心加速集成到 WebGL 中所带来的影响是深远的，并且影响广泛：

• 前所未有的视觉保真度：在浏览器中实现真正照片级的渲染，具有准确的全局光照、反射、折射和柔和阴影，与离线渲染无法区分。
• 增强的交互性：允许在 Web 环境中实时进行以前不可能实现的复杂场景和效果，从而带来更具沉浸感和吸引力的用户体验。
• 高级图形的民主化：使尖端的渲染技术能够被全球观众轻松访问，而无需专门的软件安装，从而促进在教育、设计和娱乐领域更广泛的采用。
• 降低复杂性（对于某些效果）：虽然初始实现可能很复杂，但使用硬件光线追踪来实现某些高保真度效果（如全局光照）可能比复杂的[光栅化]技巧更直接。
• 跨平台一致性：在不同的设备和操作系统之间提供更一致的视觉体验，前提是底层硬件和浏览器支持该功能。
• Web 应用程序的新途径：为以前受浏览器渲染能力限制的全新类别 Web 应用程序打开可能性，例如高保真产品配置器、高级科学可视化和更逼真的在线游戏。
• 弥合差距：显著缩小原生应用程序和 Web 应用程序之间的性能和质量差距，使 Web 成为图形密集型任务更可行的平台。

技术挑战和考虑因素

尽管愿景引人注目，但仍有几项重大技术挑战必须克服：

• 硬件碎片化：光线追踪硬件并非在所有设备上普遍存在。较旧的 GPU、许多集成图形解决方案以及很大一部分移动设备缺乏专用的 RT 核心。这将需要回退机制或分层渲染方法。
• 浏览器实现：确保跨不同浏览器引擎（Chrome、Firefox、Safari、Edge）的光线追踪扩展的一致且高性能的实现将是一项艰巨的任务。
• 着色器语言和 API：在 WebGL 图形 API 中为光线追踪开发直观而强大的 GLSL 扩展或定义新的着色器阶段是一项复杂的任务。高效地管理光线、着色器和场景数据的生命周期至关重要。
• 场景管理和 BVH 构建：在 Web 环境中动态地有效地构建和更新包围盒层次结构（BVH）是性能瓶颈。生成和遍历 BVH 的过程需要针对 Web 环境进行优化。
• 内存管理：光线追踪通常需要大量内存来存储场景数据、BVH 和中间缓冲区。在浏览器沙箱中高效的内存管理至关重要。
• 性能调整：为 Web 用户可用的各种硬件优化光线追踪工作负载将需要复杂的调整和分析工具。开发人员需要平衡视觉质量和性能，以确保广泛受众的流畅体验。
• 安全问题：公开用于光线追踪的低级硬件访问可能会引入新的安全向量，需要浏览器供应商仔细考虑和缓解。
• 工具和开发生态系统：强大的工具生态系统，包括调试器、分析器和创作工具，对于开发人员有效利用这些新功能至关重要。

弥合差距：WebGPU 作为赋能者

虽然 WebGL 扩展用于光线追踪的想法在概念上很简单，但底层复杂性却非常可观。这就是 **WebGPU** 成为集成硬件光线追踪功能到 Web 中的更合适且面向未来的平台。

WebGPU 是一个现代 API，与 WebGL 相比，它提供了对 GPU 功能的更直接访问，其灵感来自 Vulkan、Metal 和 DirectX 12 等现代图形 API。其设计本身就包含了以下功能：

• 计算着色器：WebGPU 对计算着色器有强大的支持，这对于实现自定义光线追踪内核和管理 BVH 遍历至关重要。
• 现代 GPU 架构：它旨在更紧密地映射到当代 GPU 的功能，包括专用处理单元。
• 基于管道的执行：WebGPU 的基于管道的执行模型非常适合管理光线追踪管道的不同阶段。

行业内的努力正在积极探索如何通过 WebGPU 公开光线追踪功能。例如，负责管理 Vulkan API 的 Khronos Group 也参与了 WebGPU 的开发。如果光线追踪功能在 Vulkan 扩展中标准化，那么将来很有可能通过 WebGPU 公开这些功能。

WebGPU 如何促进 RT Cores 集成：

1. 标准化的光线追踪管道：WebGPU 可以为光线生成、相交、任意命中和最近命中着色器定义标准的着色器阶段，以及管理光线负载和场景数据的机制。
2. BVH 支持：API 可以包含处理包围盒层次结构（BVH）等加速结构的特定功能，从而实现高效的创建、更新和遍历。
3. 计算着色器集成：开发人员可以编写自定义的 HLSL/WGSL（WebGPU 着色语言）计算着色器来编排光线追踪过程，利用硬件 RT Cores 来处理相交测试的繁重工作。
4. 互操作性：WebGPU 在设计时就考虑了互操作性，这有助于管理不同硬件供应商实现的复杂性。

实际示例和用例

WebGL/WebGPU 中硬件加速光线追踪的影响将在众多行业中产生变革性影响：

1. 游戏和互动娱乐

场景：可通过 Web 浏览器直接访问的 AAA 级游戏。

RT Cores 的作用：在角色盔甲、汽车表面或水坑上实现真正的光线追踪反射；产生令人难以置信的逼真的柔和阴影；并实现令人信服的全局光照，使角色和环境感觉更扎实、更有体积感。这将大大提升基于 Web 的游戏的视觉标准。

全球示例：设想一款像《Valorant》或《Overwatch》这样的竞技电子竞技标题在其网站上提供可玩演示，即使 [用户] 没有安装完整游戏，也能展示具有光线追踪反射和阴影的高保真图形。

2. 建筑可视化和房地产

场景：未建成的房产的交互式演练或现有空间的虚拟之旅。

RT Cores 的作用：客户可以体验超逼真的照明场景，了解一天中不同时间阳光如何穿过窗户，材料如何准确地反射光线，以及阴影如何定义房间的空间质量。这种真实感水平可以显着影响购买决策和客户接受度。

全球示例：迪拜的一家房地产开发商可以向全球潜在买家提供基于 Web 的交互式体验，让他们可以探索具有真实日照模拟和材料反射的房产，无论其位置或设备能力如何（具有适当的回退）。

3. 产品设计和配置器

场景：用于定制汽车、家具或电子产品的在线工具。

RT Cores 的作用：客户可以精确地看到不同的油漆饰面将如何反射光线，拉丝金属纹理在不同光照条件下的外观，或者玻璃元件将如何折射周围环境。这增强了产品的感知价值和真实性，从而提高了客户信心并减少了退货。

全球示例：宝马等全球汽车制造商可以提供一个 Web 配置器，该配置器不仅允许用户选择颜色和选项，还可以实时渲染选定的车辆，并具有准确的反射和照明，从而真正感受美学选择。

4. 科学可视化和数据分析

场景：可视化复杂的科学数据，如流体动力学模拟或分子模型。

RT Cores 的作用：透明材料、生物组织的次表面散射以及准确的间接照明的逼真渲染，可以帮助科学家和研究人员更好地理解复杂的 [数据] 模式和关系，从而实现更快的发现和创新。

全球示例：国际合作的气候科学家可以使用基于 Web 的平台来可视化复杂的大气模拟，通过光线追踪渲染更清晰地理解云层或气溶胶中的光散射和吸收效应。

5. Web 上的虚拟和增强现实

场景：通过浏览器提供的沉浸式 VR/AR 体验。

RT Cores 的作用：在 VR/AR 中实现更高程度的照片真实感对于沉浸感和减轻晕动症至关重要。光线追踪照明、反射和阴影有助于营造逼真的虚拟环境，增强临场感和参与度。

全球示例：教育机构可以为历史遗迹提供 VR 体验，让世界各地的学生能够探索具有逼真照明和大气效果的重建，从而增强学习体验。

开发人员和利益相关者的可行性见解

对于开发人员、硬件供应商、浏览器制造商和平台利益相关者来说，几项可行步骤和考虑因素至关重要：

对于开发人员：

• 尝试 WebGPU：熟悉 WebGPU 及其功能。随着 WebGPU 中光线追踪功能的成熟，您将处于采用它们的有利位置。
• 制定回退策略：始终考虑可能没有支持光线追踪硬件的用户。实施稳健的光栅化回退，以确保为所有人提供功能性和视觉上可接受的体验。
• 优化场景数据：专注于高效的场景表示、BVH 构建和数据流，以管理内存和计算开销。
• 分析和调整：利用可用的分析工具来识别性能瓶颈，并针对各种硬件优化您的光线追踪工作负载。
• 保持知情：随时了解 Khronos Group、W3C 和主要浏览器供应商在 WebGPU 扩展和光线追踪标准方面的发展。

对于硬件供应商：

• 标准化工作：积极参与并贡献于 Web 光线追踪 API 的标准化，特别是在 WebGPU 框架内。
• 驱动程序优化：确保 GPU 驱动程序为 Web 浏览器提供稳定且高性能的 RT 核心功能访问。
• 开发人员工具：提供出色的开发人员工具，包括稳健的调试器、性能分析器和演示硬件上光线追踪功能的示例应用程序。

对于浏览器供应商：

• 实现 WebGPU 标准：优先实施和优化 WebGPU，确保它支持新兴的光线追踪扩展和功能。
• 性能和安全：专注于提供高性能，同时严格解决由低级硬件访问可能引起的任何潜在安全漏洞。
• 跨浏览器一致性：努力确保在标准化光线追踪功能时，它们在不同的浏览器引擎之间得到一致的实现。

Web 实时图形的未来

将硬件 RT 核心加速集成到 WebGL，或者更有可能是其后继者 WebGPU，标志着 Web 实时图形向前迈出了重要一步。它有望实现照片级逼真渲染的民主化，并通过无处不在的浏览器将其提供给全球受众。

随着硬件功能的不断进步和 Web 标准的不断发展，我们可以预见一个未来，即原生和 Web 图形之间的界限将进一步模糊。能够直接从 Web 提供复杂、视觉上令人惊叹且交互式的体验，将为全球的创造力、商业、教育和娱乐开启新的前沿。旅程很复杂，但目的地——真正照片级的、实时图形，通过 Web 提供给所有人、所有地方——无疑令人兴奋。

WebGPU 的持续发展，加上硬件供应商和浏览器开发商的主动努力，将为 Web 图形的新时代铺平道路，届时专用光线追踪硬件的强大功能将不再局限于桌面应用程序，而是通过单击链接即可轻松获得。