Acceleration Data Structure Construction for Ray tracing

Mgr. Marek Vinkler, Ph.D.

Advanced ('rigorózní') thesis

Abstract:

Základní úlohou počítačové grafiky je vykreslování dvoudimenzionálního obrazu ze vstupního popisu scény, který je většinou třídimenzionální. Speciálním případem této úlohy je fotorealistické vykreslování, které tvoří výsledný obraz fyzikálně korektními postupy. Fotorealistická vizualizace nachází uplatnění v široké škále oborů od vědecké vizualizace, přes počítačem podporované projektování v automobilovém průmyslu nebo architektonických vizualizacích až po tvorbu plně digitálních filmů. Naneštěstí výpočet fotorealistických obrazů je značně časově náročný, a je proto realizován na výkonných vykreslovacích farmách. V posledních letech je proto žhavou oblastí výzkumu akcelerace těchto algoritmů na úroveň dostatečnou k jeho nasazení na běžných stolních počítačích. Takové urychlení by jednak značně snížilo náklady pro vizualizace ve strojírenském nebo filmovém průmyslu, ale zejména umožnilo použití fotorealistického vykreslování v nových oblastech, například v herním průmyslu. Většina metod schopných fotorealistického vykreslování využívá algoritmu sledování paprsku k výpočtu viditelnosti ve virtuální scéně, a tento algoritmus je časově nejnáročnější částí celého výpočtu obrazu. Přínosem této práce je návrh, implementace a evaluace metod pro akceleraci metody sledování paprsku. Z této poměrně široké oblasti se tato práce zaměřuje na stavbu datových struktur pro rychlé prostorové vyhledávání ve vykreslovaných virtuálních scénách. Stavba těchto struktur může být optimalizována buďto vůči času stavby nebo vůči kvalitě prostorového třídění, oba tyto parametry jsou v práci zkoumány a jsou pro ně navrhnuta nová řešení. Jelikož metoda sledování paprsku je vysoce paralelní, je tato práce zaměřena na paralelní algoritmy běžící na moderních grafických čipech.

Abstract:

The basic task of computer graphics is to synthetize a two-dimensional image from the input scene description which is mostly three-dimensional. A special case of this task is photorealistic rendering which computes the resulting image by physically-based methods. Photorealistic visualization is used in a variety of industries ranging from scientific visualization, computer-aided design in car industry or architectural visualizations to the creation of computer generated films. Unluckily, rendering of photorealistic images is a time consuming task and is thus realized on powerful rendering farms. Recently acceleration of this class of algorithms to a level enabling it 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 film industries 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 computation. The contribution of this work is the design, implementation and evaluation of methods for ray tracing acceleration. In this quite broad area this work focuses on the construction of data structures for fast spatial searching in the rendered virtual scenes. Construction of these structures can be optimized either for the build time or the quality of the spatial sorting, both of these parameters have been researched in this work and novel solutions are proposed for them. Given the highly parallel nature of the ray tracing this work is focused on parallel algorithms running on modern graphics chips.

Keywords

ray tracing, acceleration data structures, GPU, CUDA

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 11. 2012

Thesis defence

• Date of defence: 8. 1. 2013
• Reader: doc. Ing. Jiří Bittner, Ph.D., doc. RNDr. Pavel Matula, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Informatics

Advanced ('rigorózní řízení') programme / field:
Informatics / Computer Graphics