WebGL 光线追踪扩展：在 Web 上释放硬件加速光线追踪的潜力

多年来，光线追踪一直是计算机图形学的圣杯，它承诺通过精确的光照、反射和阴影来生成照片般逼真的图像。虽然由于其计算强度，传统上仅限于离线渲染，但近期的硬件进步已使实时光线追踪成为现实。现在，随着 WebGL 光线追踪扩展的出现，这项强大的技术将彻底改变基于 Web 的图形。

什么是光线追踪？

光线追踪是一种渲染技术，它模拟光线与场景中物体交互的方式。与光栅化多边形不同，光线追踪跟踪从相机发出的光线路径，在场景中追踪它们，直到与物体相交。通过计算每条光线的颜色和强度，光线追踪可以生成具有逼真光照、反射和阴影的图像。

与近似这些效果的光栅化不同，光线追踪提供了更物理精确的光传输表示，从而产生令人惊叹的视觉效果。然而，这种精确性带来了巨大的计算成本，使实时光线追踪成为一项具有挑战性的壮举。

硬件加速光线追踪的兴起

为了克服传统光线追踪的计算限制，显卡制造商开发了专用于加速光线追踪计算的硬件。像 NVIDIA 的 RTX 和 AMD 的 Radeon RX 系列等技术集成了专门的光线追踪核心，显著提升了性能，使实时光线追踪成为可能。

这些硬件进步为利用光线追踪实现前所未有的真实感的新渲染技术铺平了道路。游戏、模拟和其他应用程序现在正在融入光线追踪的反射、阴影、全局光照等，创造出沉浸式和视觉上令人惊叹的体验。

WebGL 光线追踪扩展：将光线追踪引入 Web

WebGL 是在网页浏览器中渲染交互式 2D 和 3D 图形的标准 API，传统上依赖于光栅化。然而，随着光线追踪扩展的引入，WebGL 现在能够利用硬件加速光线追踪的强大功能。这为基于 Web 的图形开辟了一个充满可能性的世界，使开发人员能够直接在浏览器中创建更真实、更具吸引力的体验。

这些扩展提供了一种通过 JavaScript 和 GLSL（OpenGL Shading Language，WebGL 使用的着色语言）访问底层光线追踪硬件的机制。通过利用这些扩展，开发人员可以将光线追踪集成到他们的 Web 应用程序中，充分利用专用光线追踪硬件的性能优势。

关键的 WebGL 光线追踪扩展：

• GL_EXT_ray_tracing: 这个核心扩展为 WebGL 中的光线追踪提供了基础，定义了基本的光线追踪函数和数据结构。它允许开发人员创建加速结构、发射光线并访问光线追踪结果。
• GL_EXT_acceleration_structure: 这个扩展定义了加速结构，这是一种用于高效地使光线与场景几何体相交的分层数据结构。构建和管理加速结构是光线追踪中的关键步骤，因为它显著影响性能。
• GL_EXT_ray_query: 这个扩展提供了一种查询光线追踪结果的机制，例如命中距离、命中几何体以及交点处的表面法线。这些信息对于着色和光照计算至关重要。

WebGL 光线追踪的优势

WebGL 引入光线追踪扩展带来了几个显著的优势：

• 增强的视觉质量： 光线追踪能够更真实地渲染反射、阴影和全局光照，从而带来视觉上令人惊叹和沉浸式的 Web 体验。
• 提升的性能： 与传统基于光栅化的技术相比，硬件加速的光线追踪提供了显著的性能增益，允许实现更复杂和更精细的场景。
• 新的创作可能性： 光线追踪为 Web 开发人员开辟了新的创作可能性，使他们能够创建以前无法实现的创新和视觉上引人注目的应用程序。
• 跨平台兼容性： WebGL 是一个跨平台的 API，这意味着使用 WebGL 开发的光线追踪应用程序将在任何具有兼容浏览器和硬件的设备上运行。
• 可访问性： WebGL 为部署光线追踪应用程序提供了一个方便且易于访问的平台，因为用户只需通过 Web 浏览器即可访问它们，无需安装任何额外软件。

WebGL 光线追踪的应用场景

WebGL 光线追踪在各行各业都有广泛的潜在应用：

• 游戏： 光线追踪可以增强基于 Web 的游戏的视觉保真度，创造更沉浸式和逼真的游戏体验。想象一下，在第一人称射击游戏中拥有光线追踪的反射和阴影，或在具有真实全局光照的虚拟世界中探索。
• 产品可视化： 光线追踪可用于创建产品的逼真渲染，让客户在购买前详细地可视化产品。例如，家具零售商可以使用光线追踪在虚拟展厅中展示其产品的纹理和光照。
• 建筑可视化： 建筑师可以使用光线追踪来创建建筑物和内部的逼真可视化效果，让客户详细探索他们的设计。这可以帮助客户更好地理解设计并做出明智的决定。想象一下，探索一个具有逼真光照和反射的建筑虚拟模型，让您在建筑建成之前就能体验空间。
• 虚拟现实 (VR) 和增强现实 (AR)： 光线追踪可以增强 VR 和 AR 体验的真实感，创造更沉浸式和引人入胜的环境。例如，光线追踪可用于在 VR 游戏中创建逼真的阴影和反射，或在 AR 应用程序中将虚拟对象准确地叠加到现实世界中。
• 科学可视化： 光线追踪可用于可视化复杂的科学数据，例如流体动力学或分子结构的模拟。这可以帮助科学家更好地理解他们的数据并做出新发现。
• 教育： 光线追踪可用于创建交互式教育模拟，让学生以视觉上引人入胜的方式探索复杂的概念。例如，物理模拟可以使用光线追踪来精确模拟光的行为，让学生可视化光学原理。

技术考量

虽然 WebGL 光线追踪提供了许多好处，但也有几个技术方面需要牢记：

• 硬件要求： 光线追踪需要专用硬件，例如 NVIDIA RTX 或 AMD Radeon RX 系列 GPU。使用光线追踪的应用程序在没有此硬件的系统上将无法运行，或运行效果不佳。
• 性能优化： 光线追踪的计算量可能很大，因此优化场景和光线追踪代码以获得良好性能非常重要。这可能涉及使用细节层次 (LOD) 和自适应采样等技术。
• 加速结构管理： 构建和管理加速结构对光线追踪性能至关重要。开发人员需要仔细考虑加速结构的选择以及随着场景变化更新它的策略。
• 着色器复杂性： 光线追踪着色器可能很复杂，需要对 GLSL 和光线追踪算法有很好的理解。开发人员可能需要学习编写高效且有效的光线追踪着色器的新技术。
• 调试： 调试光线追踪代码可能具有挑战性，因为它涉及追踪单个光线的路径。开发人员可能需要使用专门的调试工具来识别和修复错误。

示例：在 WebGL 中实现光线追踪反射

让我们考虑一个如何使用光线追踪扩展在 WebGL 中实现光线追踪反射的简化示例。此示例假设您已设置了一个包含相机、场景图和材质系统的基本 WebGL 场景。

1. 创建加速结构：

   首先，您需要创建一个代表场景几何体的加速结构。这可以使用 GL_EXT_acceleration_structure 扩展来完成。加速结构将用于有效地使光线与场景相交。

2. 编写光线生成着色器：

   接下来，您需要编写一个光线生成着色器，它将从相机发射光线。此着色器将遍历屏幕上的像素，并为每个像素生成一条光线。

   这是一个简化的光线生成着色器示例：

               #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. 编写最近命中着色器：

   您还需要编写一个最近命中着色器，当光线与物体相交时将执行该着色器。此着色器将计算交点处物体的颜色，并将其作为命中值返回。

   这是一个简化的最近命中着色器示例：

               #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. 启动光线追踪管线：

   最后，您需要启动光线追踪管线。这包括绑定加速结构、光线生成着色器和最近命中着色器，然后分发光线追踪计算。

5. 实现反射：

   在最近命中着色器中，不要简单地返回表面颜色，而是计算反射向量。然后，在反射方向上发射一条新光线，以确定反射物体的颜色。这需要递归调用光线追踪管线（在限制范围内以避免无限循环）或使用单独的通道进行反射。最终颜色将是表面颜色和反射颜色的组合。

   这是一个简化的示例，实际实现将涉及更复杂的计算，例如处理多次反弹、对不同光源进行采样以及应用抗锯齿。请记住要考虑性能，因为光线追踪的计算成本可能很高。

WebGL 光线追踪的未来

WebGL 光线追踪仍处于早期阶段，但它有潜力改变基于 Web 的图形。随着硬件加速光线追踪变得越来越普及，我们可以期待看到越来越多的 Web 应用程序采用这项技术。这将为各行各业带来更真实、更具吸引力的 Web 体验。

此外，负责 WebGL 的组织 Khronos Group 内部正在进行的开发和标准化工作，可能会进一步改进 API 并增加浏览器供应商的采纳度。这将使光线追踪对 Web 开发人员更易于访问，并加速 WebGL 光线追踪生态系统的发展。

WebGL 光线追踪的未来是光明的，我们可以期待在未来几年看到更多激动人心的发展。随着技术的成熟，它将为基于 Web 的图形解锁新的可能性，并创造出新一代沉浸式和视觉上令人惊叹的体验。

全球影响与可访问性

WebGL 光线追踪的出现有可能显著影响全球范围内对高质量图形的可访问性。传统的高端图形应用程序通常需要专门的硬件和软件，这限制了资源不足的个人和组织的使用。

WebGL 作为一种基于网络的技术，提供了一种更民主化的方法。只要用户能访问兼容的浏览器和硬件（随着支持光线追踪的集成显卡的普及，这变得越来越普遍），他们就可以体验这些先进的图形功能。这在高端硬件访问受限或专业软件许可证成本高昂的地区尤其有益。

此外，WebGL 的跨平台特性确保了应用程序可以在从台式机、笔记本电脑到手机和平板电脑等各种设备上运行。这进一步扩大了光线追踪技术的覆盖范围，使其能够触及更广泛的全球受众。

然而，重要的是要承认基于硬件能力的数字鸿沟的可能性。虽然支持光线追踪的硬件正变得越来越普遍，但它仍然不是普遍可用的。开发人员应努力创建可扩展并能适应不同硬件配置的应用程序，确保使用性能较弱设备的用户仍能获得积极的体验。

结论

WebGL 光线追踪扩展代表了 Web 图形发展进程中的一个重要进步。通过将硬件加速的光线追踪技术引入网页浏览器，这些扩展为创建更真实、更具吸引力和更沉浸式的体验开辟了无限可能。尽管需要考虑一些技术因素，但 WebGL 光线追踪的优势是不可否认的，我们可以预见它将在未来的网络中扮演越来越重要的角色。

随着技术的成熟和更广泛的采用，它将赋能 Web 开发人员创造出以前无法想象的创新和视觉上令人惊叹的应用程序。Web 图形的未来是光明的，而 WebGL 光线追踪注定是推动这一演变的关键驱动力。