Filtrování globálního osvětlení pro interaktivní aplikace

Abstract

Vykreslování 3D scén se zároveň rychle vypočítatelným a přesným globálním osvětlením je ještě pořád komplikovaný problém: existuje mnoho metod, které jsou schopny výsledek v určitých situacích odhadnout velmi přesně a v jiných zase selhat. Sledování cest (path tracing) je díky své přesnosti a nevychýlenosti často používaná metoda, stále je ale příliš pomalá pro výpočet v reálném čase kvůli velkému množství komplikovaých interakcí paprsků se scénou: i nejnověší GPU mají problém udržet si rychlost výpočtu v reálném čase pro víc než jen několik snímků za sekundu. To znamená, že obrazový výstup je všude z velké míry zatížen šumem a místy ani nemusí obsahovat žádnou informaci. V této práci je popsána a otestována jedna z novějších metod: vzorky difúzní složky světla jsou s pomocí reprojekce nashromážděny z minulých snímků a následně je na ně aplikován bilaterální filtr využívající normálu, hloubku a rozptyl v daném místě k zastavení rozmazání cenných detaiů např. kolem hran a okrajů stínů. Tímto způsobem dostaneme časově stabilní výstup bez šumu (který nám dokonverguje hned po několika snímcích). Tudo metodu jsme implementovali pomocí OpenGL jako součást existujícího rychlého vykreslovacího systému na CPU postaveného na sledování cest. Metodu jsme upravili tak, aby si poradila i se vstupem, kde v každém pixelu ještě nemusí být přítomen vzorek z vystřeleného paprsku (kvůli udržení interaktivní snímkové frekvence). Nakonec jsme zhodnotili kvalitu a rychlost výstupu tohoto algoritmu.

Rendering 3D scenes with both fast and accurate global illumination is still a very tough problem: there is a large number of methods giving approximate results, each one with different compromise. Path tracing is, given it's accurate and unbiased nature, often the method of choice here. It is still, however, very hard to do in real-time due to its complex recursive light interactions: even the newest GPUs struggle to keep real-time frame rates for more than just a few samples per pixel, which can lead to a very noisy output or even no useful data for some more problematic areas. A recent approach to processing the resulting image is described and experimented with in this thesis: diffuse light samples are accumulated from previous frames using reprojection and subsequently filtered by a fast bilateral filter constrained by normals, depth, and variance (which will stop blurring valuable details). This results in a temporally stable noise-free output which converges in a few frames. We implemented the method using OpenGL and incorporated it in an existing high-performance CPU-based path tracer VRUT. We extended the approach by putting it in the progressive rendering framework, where initially less than one sample per pixel is shot to increase interactivity. We evaluate the performance and visual quality of this algorithm in several test cases with diffuse illumination.