Construction of Acceleration Data Structures for Ray Tracing

RNDr. Marek Vinkler, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Hlavní úlohou v počítačové grafice je vytvoření dvoudimenzionálního obrazu z popisu virtuální scény, který je většinou třídimenzionální. Speciálním případem této úlohy je fotorealistické vykreslování, které počítá výsledný obraz pomocí fyzikálně podložených metod. Fotorealistické vykreslování se používá v široké škále odvětví od vědeckých vizualizací, počítačového modelování (například v automobilovém průmyslu) nebo architektonických vizualizací až po tvorbu počítačově generovaných filmů. Naneštěstí vykreslování fotorealistických obrazů je velmi časově náročná úloha, a proto výpočet často probíhá na výkonných vykreslovacích farmách. Akcelerace těchto algoritmů na úroveň umožňující jim běžet na běžných stolních počítačích se v poslední době stala atraktivním výzkumným tématem. Takováto akcelerace by umožnila jednak snížení nákladů v oblastech jako je strojírenství nebo filmový průmysl, ale také by umožnila použít fotorealistické vykreslování v nových oblastech, například v herním průmyslu. Většina metod umožňujících fotorealistické vykreslování používá metodu sledování paprsku k výpočtu viditelnosti uvnitř virtuální scény a tento algoritmus je také časově nejvíce náročnou součástí celého vykreslování obrazu. Přínosem této dizertační práce je návrh, implementace a vyhodnocení metod pro akceleraci metody sledování paprsku. V této poměrně široké oblasti se tato práce zaměřuje na konstrukci hierarchických datových struktur, které jsou použity pro rychlé prostorové vyhledávání ve virtuálních scénách. Konstrukce těchto datových struktur může být optimalizována buď na čas stavby nebo na kvalitu jejich prostorového třídění. Oba tyto problémy jsou v této práci prozkoumány a jsou pro ně navržena nová řešení. Vzhledem k vysoce paralelní povaze metody sledování paprsku tato práce cílí na algoritmy pro moderní grafické karty.

Abstract:

The prominent task of computer graphics algorithms is to synthesize a two-dimensional image from the description of a virtual scene, which is usually three-dimensional. A special case of this task is photorealistic rendering that computes the resulting image by physically-based methods. Photorealistic visualization is used in a variety of industries ranging from scientific visualization, computer-aided design (e.g. in the car industry) or architectural visualizations to the creation of computer generated movies. Unluckily, rendering of photorealistic images is a time-consuming task and is thus often realized on powerful rendering farms. Recently, acceleration of this class of algorithms to a level enabling them to run on a commodity desktop computer has been a hot research topic. Such acceleration would not only reduce the visualization expenses in areas such as engineering or the movie industry, but it would also enable photorealistic rendering to be used in new areas such as the video game industry. Most methods capable of photorealistic rendering use the ray tracing algorithm to compute the visibility inside a virtual scene, and this algorithm is the most time-consuming part of the entire image rendering. The contribution of this dissertation thesis is the design, implementation and evaluation of methods for ray tracing acceleration. In this quite broad area this thesis focuses on the construction of hierarchical data structures which are used for fast spatial searching in the virtual scenes. Construction of these data structures can be optimized either for the build time or the quality of their spatial sorting. Both of these have been researched in this thesis and novel solutions are proposed for them. Given the highly parallel nature of ray tracing this thesis targets parallel algorithms running on modern graphics chips.

Keywords

ray tracing, acceleration data structures, visibility, GPU, CUDA

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 10. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 5. 3. 2015
• Supervisor: prof. Ing. Jiří Sochor, CSc.
• Reader: doc. Ing. Jaroslav Křivánek, Ph.D., Assoc. Prof. Michael Wimmer

Masaryk University

Faculty of Informatics

Doctoral programme / field:
Informatics (4-years) / Informatics