Adaptivní algoritmy syntézy obrazu

Abstract

Ray tracing as a rendering approach consists of two main parts: (1) finding the ray-scene intersections, and (2) evaluating the light contribution at the intersection. In contemporary production scenes, that contain up to billions of scene elements and require a complex shading workflow, both parts are extremely demanding for computing resources, most notably their memory footprint and time-to-image. Therefore, we need to accelerate and improve the algorithm on various levels.In this thesis, I aim at three approaches to ray tracing acceleration that adapt to the characteristics of an input scene. All of them are based on the bounding volume hierarchy (BVH) data structure, which allows organizing the scene content so that the rays find their intersections fast. The first method improves the topology of an existing BVH so that its ray traversal takes less time. It does so by rearranging the topology, leading to significantly higher quality BVH. It finds its application both for quickly built but low-quality BVHs or for maintaining good quality BVH in a dynamic scene. The second method builds a data structure of 5D shafts on top of an existing BVH. The shafts are used for ray classification; the rays in a shaft then share a common prefix in their BVH traversal. This part of the traversal can be therefore skipped, saving much computational effort.The third method uses the 5D shafts as containers for the aggregation of similar rays. Such rays have either similar origins and directions or reference the same texture. Once there are many rays in a container, we utilize their similarity to achieve the temporal coherence of their batched processing. Rays with texture coherence can be further used in out-of-core scenarios.The methods were evaluated on a variety of scenes of different sizes (up to 4.3 billion instanced elements) and types (interior, exterior, objects). The proposed methods are able to achieve significant speedup ranging between 10 to 30 percent in build time and/or render time. As they target different parts of the ray tracing process, they may be combined together. This is especially prominent in the two methods that use BVHs amended with shafts, where the simultaneous operation creates a synergy between both approaches.

Ray tracing jako metoda vykreslování se skládá ze dvou hlavních částí: (1) nalezení průsečíků paprsků se scénou a (2) vyhodnocení příspěvku světla v průsečíku. V současných produkčních scénách, které obsahují až miliardy elementů scény a vyžadují komplexní výpočet stínování, jsou obě části extrémně náročné na výpočetní zdroje, zejména na velikost paměti a čas potřebný k vytvoření obrazu. Proto je potřeba algoritmus na různých úrovních urychlit a zlepšit. V této práci se zaměřuji na tři přístupy ke zrychlení ray tracingu, které se přizpůsobují charakteristikám vstupní scény. Všechny jsou založeny na datové struktuře hierarchie obalových těles (angl. BVH), která umožňuje organizovat obsah scény tak, aby paprsky rychle nacházely své průsečíky.První metoda zlepšuje topologii existující BVH tak, že její průchod paprskem trvá kratší dobu. Děje se tak přeskupením její topologie, což vede k výrazně vyšší kvalitě BVH. Své uplatnění najde jak pro rychle postavené, ale nekvalitní BVH nebo pro udržení dobré kvality BVH v dynamické scéně. Druhá metoda staví datovou strukturu 5D shaftů nad existující BVH. Shafty se používají pro klasifikaci paprsků; paprsky v shaftu pak sdílejí společnou úvodní část ve svém průchodu BVH. Tuto část průchodu lze proto přeskočit, což ušetří mnoho výpočetního úsilí. Třetí metoda využívá 5D shafty jako zásobníky pro shromažďování podobných paprsků. Takové paprsky mají buď podobný počátek a směr, nebo odkazují na stejnou texturu. Jakmile je v zásobníku mnoho paprsků, využijeme jejich podobnosti k dosažení časové koherence jejich dávkového zpracování. Paprsky s koherencí textury lze dále využít v out-of-core scénářích. Metody byly vyhodnoceny na scénách různých velikostí (až 4,3 miliardy instancovaných elementů) a typů (interiér, exteriér, objekty). Navrhované metody jsou schopny dosáhnout významného zrychlení v rozmezí 10 až 30 procent během stavby BVH nebo při samotném vykreslování. Protože se zaměřují na různé části procesu sledování paprsků, lze je kombinovat. To je zvláště výrazné u druhých dvou zmíněných metod, které používají BVH doplněnou o shafty, kde se jejich současné působení navzájem podporuje.