WebGL 光线追踪加速结构：用于全球 3D 应用的空间数据组织

光线追踪是一种强大的渲染技术，它模拟了光在现实世界中的行为方式。通过追踪光线在场景中的路径，它能够生成逼真的图像。尽管光线追踪提供了卓越的视觉质量，但其计算密集度很高。为了实现实时或交互式帧率，尤其是在基于浏览器的 WebGL 应用程序中，加速结构至关重要。本文探讨了 WebGL 光线追踪中使用的加速结构的基本概念，重点关注空间数据组织及其对性能的影响。

加速结构的必要性

如果没有加速结构，光线追踪需要将每条光线与场景中的每个对象进行求交。这种暴力方法导致每条光线的复杂度为 O(n)，其中 'n' 是场景中图元（三角形、球体等）的数量。对于包含数百万个图元的复杂场景，这会变得极其昂贵。

加速结构通过组织场景的几何形状来缓解这个问题，它允许我们快速丢弃那些不太可能被给定光线相交的场景大部分区域。它们减少了光线-图元求交测试的次数，从而显著提高了渲染性能。想象一下在图书馆里寻找一本书。如果没有索引（一个加速结构），你将不得不检查每个书架上的每本书。索引可以让你快速找到相关区域并高效地找到这本书。加速结构在光线追踪中也起着类似的作用。

常见的加速结构

光线追踪中常用几种类型的加速结构。最常见的是 边界体积层次结构 (BVH)，但其他如 k-d 树 和 统一网格 也被使用。本文重点关注 BVH，因为它在处理各种场景时具有灵活性和高效性。

边界体积层次结构 (BVH)

BVH 是一种树状数据结构，其中每个节点代表一个包围一组图元的边界体积。根节点包围整个场景，每个内部节点包围场景几何形状的一个子集。叶节点包含对实际图元（例如三角形）的引用。

BVH 的基本原理是测试光线与节点的边界体积是否相交。如果光线不与边界体积相交，则它不可能与该节点内包含的任何图元相交，我们可以跳过遍历该子树。如果光线确实与边界体积相交，我们递归遍历子节点，直到到达叶节点，在那里我们执行光线-图元求交测试。

BVH 构建：

BVH 的构建是关键一步，它显著影响其性能。一个构建良好的 BVH 最大限度地减少了光线-边界体积求交测试的次数。BVH 构建有两种主要方法：自顶向下和自底向上。

自顶向下构建：这种方法从根节点开始，并递归地对其进行细分，直到满足某些终止条件。细分过程通常涉及选择一个将图元分成两组的分割平面。分割平面的选择至关重要。常见的策略包括：

空间中值分割：根据图元沿轴（例如 X、Y 或 Z）的空间位置对其进行划分。这是一种简单快速的方法，但可能无法始终生成平衡的树。
对象中值分割：根据图元质心的中值对其进行划分。这通常比空间中值分割生成更平衡的树。
表面积启发式 (SAH)：这是一种更复杂的方法，它根据边界体积的表面积估算遍历树的成本。SAH 旨在通过选择导致最低总成本的分割平面来最小化预期的遍历成本。SAH 通常生成最有效的 BVH，但其构建计算成本也最高。

自底向上构建：这种方法从单个图元作为叶节点开始，并迭代地将它们合并成更大的边界体积，直到形成一个根节点。这在光线追踪 BVH 中不太常见，但对于几何形状频繁变化的动态场景可能很有用。

终止条件：

细分过程一直持续到满足终止条件。常见的终止条件包括：

最大树深度：限制树的深度，以防止过多的内存使用或遍历开销。
每个节点的最小图元数量：当节点包含少量图元时停止细分。典型值为 1-4 个图元。
成本阈值：当进一步细分的估计成本超过某个阈值时停止细分节点。

BVH 遍历：

BVH 遍历算法是一个递归过程，它有效地确定场景中哪些图元与给定光线相交。该算法从根节点开始，并按以下步骤进行：

测试光线与当前节点的边界体积是否相交。
如果光线不与边界体积相交，则该节点及其子树的遍历停止。
如果光线与边界体积相交，算法递归遍历子节点。
当到达叶节点时，算法对叶节点中包含的每个图元执行光线-图元求交测试。

空间数据组织技术

数据在加速结构中的组织方式显著影响其性能。有几种技术用于优化空间数据组织：

边界体积紧密度

更紧密的边界体积减少了光线-边界体积求交测试期间误报的概率。紧密的边界体积紧密贴合所包围的几何形状，最大限度地减少了周围的空白空间。常见的边界体积类型包括：

轴对齐包围盒 (AABBs)：AABB 是最常见的边界体积类型，因为它们简单高效。它们由沿每个轴的最小和最大坐标定义。AABB 易于构建并与光线相交。
定向包围盒 (OBBs)：OBB 比 AABB 更紧密，特别是对于不与坐标轴对齐的对象。然而，OBB 的构建和与光线相交的成本更高。
球体：球体易于构建并与光线相交，但它们可能不适用于所有类型的几何形状。

选择合适的边界体积类型取决于具体的应用程序以及紧密度与性能之间的权衡。

节点排序和内存布局

节点在内存中的存储顺序可以显著影响缓存一致性和遍历性能。将可能一起访问的节点存储在连续的内存位置可以提高缓存利用率并减少内存访问延迟。

常见的节点排序技术包括：

深度优先排序：节点按照在树的深度优先遍历期间访问它们的顺序存储。这种方法可以提高光线在树中遍历长路径时的缓存一致性。
广度优先排序：节点按照在树的广度优先遍历期间访问它们的顺序存储。这种方法可以提高光线在树的同一级别上与大量节点相交时的缓存一致性。
线性化：BVH 被线性化为一个扁平数组，通常使用莫顿码或类似的空间填充曲线。这可以提高缓存一致性，并实现在 GPU 上的高效遍历。

最佳节点排序技术取决于特定的硬件架构和场景的特征。

图元排序

图元在叶节点中的存储顺序也会影响性能。对空间上连贯的图元进行分组可以提高缓存一致性并减少光线-图元求交测试期间的缓存未命中次数。可以使用空间填充曲线（例如莫顿排序）等技术根据图元的空间位置对其进行排序。

WebGL 考量

在 WebGL 中实现光线追踪和加速结构带来了独特的挑战和考量：

数据传输与内存管理

将大量数据（例如顶点数据、BVH 节点）从 JavaScript 传输到 GPU 可能会成为瓶颈。高效的数据传输技术对于实现良好性能至关重要。使用类型化数组（例如 Float32Array、Uint32Array）并最大限度地减少数据传输次数有助于降低开销。

内存管理也很重要，特别是对于大型场景。WebGL 的内存资源有限，因此高效地分配和释放内存以避免内存不足错误至关重要。

着色器性能

光线追踪和 BVH 遍历逻辑通常在着色器（例如 GLSL）中实现。优化着色器代码对于实现良好性能至关重要。这包括最小化指令数量、使用高效数据类型和避免分支。

示例：与其使用通用的 `if` 语句来检查光线-AABB 交集，不如使用优化的平面交集算法以获得更好的性能。平面交集算法专为 AABB 设计，可以用更少的指令实现。

异步操作

构建加速结构可能是一个耗时的过程，特别是对于大型场景。异步执行此操作（例如，使用 Web Workers）可以防止浏览器变得无响应。主线程可以继续渲染场景，而加速结构在后台构建。

WebGPU

WebGPU 的出现带来了对 GPU 更直接的控制，为更复杂的光线追踪实现打开了可能性。借助计算着色器等功能，开发人员可以更有效地管理内存并实现自定义加速结构。与传统的 WebGL 相比，这带来了性能的提升。

全球应用示例

WebGL 中的光线追踪，通过高效的空间数据组织进行加速，为各种全球应用开启了新的可能性：

交互式产品配置器：使世界各地的客户能够通过逼真的渲染实时定制产品（例如家具、汽车）。想象一家欧洲家具公司，允许亚洲用户在网络浏览器中可视化沙发在他们客厅中不同面料和照明条件下的样子。
建筑可视化：允许全球建筑师和设计师在浏览器中创建和探索逼真的建筑和室内渲染。澳大利亚的一家设计公司可以与北美的客户合作进行建筑项目，使用 WebGL 光线追踪实时可视化设计变更。
科学可视化：以高视觉保真度在 3D 中可视化复杂的科学数据集（例如医学扫描、气候模型）。全球研究人员可以通过详细的光线追踪视觉效果协作分析数据。
游戏和娱乐：通过其网络浏览器，为全球玩家提供具有逼真光照和阴影的沉浸式游戏体验。
电子商务：通过提供逼真的产品可视化来增强在线购物体验。例如，香港的一家珠宝零售商可以通过光线追踪渲染展示其钻石的璀璨和反光，让全球潜在买家欣赏宝石的品质。

可操作的见解和最佳实践

选择合适的加速结构：在选择加速结构时，考虑场景的特性（例如，静态与动态、图元数量）。BVH 通常是大多数场景的良好选择，但其他结构（如 k-d 树或统一网格）可能更适合特定用例。
优化 BVH 构建：对于高质量的 BVH，使用 SAH，但对于更快的构建时间，尤其是在动态场景中，可以考虑使用更简单的分割策略，如空间中值或对象中值。
使用紧密的边界体积：选择紧密贴合几何形状的边界体积类型，以减少光线-边界体积求交测试期间的误报数量。
优化节点排序：尝试不同的节点排序技术（例如，深度优先、广度优先、线性化）以提高缓存一致性和遍历性能。
最小化数据传输：使用类型化数组并最小化 JavaScript 和 GPU 之间的数据传输次数。
优化着色器代码：最小化指令数量，使用高效数据类型，并避免在着色器中进行分支。
使用异步操作：异步执行 BVH 构建和其他耗时操作，以防止浏览器无响应。
利用 WebGPU：探索 WebGPU 的功能，以实现更高效的内存管理和自定义加速结构实现。
性能分析和基准测试：定期对代码进行性能分析和基准测试，以识别性能瓶颈并进行相应优化。使用浏览器开发工具分析帧率、内存使用情况和着色器性能。

结论

加速结构对于在 WebGL 中实现实时光线追踪性能至关重要。通过高效组织空间数据，这些结构减少了光线-图元求交测试的次数，并能够渲染复杂的 3D 场景。理解不同类型的加速结构、空间数据组织技术以及 WebGL 特有的考量对于开发高性能、全球可访问的光线追踪应用程序至关重要。随着 WebGPU 的不断发展，浏览器中光线追踪的可能性将进一步扩大，从而在各个行业中实现新的激动人心的应用。