Методы решения проблемы глобальной освещенности на графических процессорах

• Автор: Фролов, Владимир Александрович
• Шифр специальности: 05.13.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 175 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Введение в предметную область
1.1. Трассировка лучей
1.2. Проблема глобальной освещенности
1.3. Стохастическая трассировка лучей
1.4. Прямая трассировка (Light Tracing)
1.5. Двунаправленная трассировка путей
1.6. Перенос света Метрополиса (MLT)
1.7. Фотонные карты
1.8. Кэш Освещенности (Irradiance Cache)
1.9. Выводы к первой главе
Глава 2. Современные методы вычисления глобальной освещенности
2.1. Алгоритмы на центральном процессоре
2.2. Выводы по методам вычисления глобальной освещенности
2.3. Алгоритмы на массивно-параллельных процессорах
2.4. Программные решения на центральных процессорах
2.5. Программные решения на графических процессорах
2.6. Выводы ко второй главе и выбор направления исследования
Глава 3. Предложенные методы
3.1. Использумый подход в общем
3.2. Проблема неравномерного распределения работы
3.3. Проблема параллельного кэширования освещенности
3.4. Проблема реализации фотонных карт и проблема построения
окто-дерева со множественными ссылками на GPU
Глава 4. Программное решение
4.1. Структура программного обеспечения
4.2. Функциональные возможности

4.3. Практическое применение
4.4. Сравнение
Заключение
Литература
Приложение А. Сравнение
A.I. Teapot Cornell Box
А.2. Открытая сцена (’Outdoor’)
А.З. Crytek Sponza
А.4. Конференц-зал
А.5. Освещение ’Небесными Порталами’ (Sky Portals)
A.6. Тест на MLT
А.7. Каустики
А.8. Сравнение с Octane
A.9. Анализ производительности

Введение
Актуальность работы Проблема глобальной освещенности возникает при решении широкого круга задач проектирования, оптического моделирования, компьютерной анимации и виртуальной реальности. Освещенность принято разделять на локальную и глобальную. Локальной освещенностью точки поверхности называют освещенность, вызванную прямым попаданием света от его источника. Глобальной освещенностью точки поверхности называют освещенность, вызванную как прямым так и непрямым попаданием света в данную точку (т.е. в результате одного или более переотражений). Выделим три основных группы сфер применения алгоритмов расчета глобальной освещенности.
Первую 1руппу сфер применения алгоритмов, вычисляющих глобальное освещение, составляет синтез реалистичных изображений:
1. Оценка внешнего вида проектируемых промышленных изделий. Прежде всего это моделирование внешнего вида переносных электронных устройств (телефоны, ноутбуки, планшеты), транспортных средств (автомобилей, мотоциклов и других транспортных средств, для которых важен внешний вид).
2. Архитектурный дизайн — моделирование экстерьеров, интерьеров помещений, салонов транспортных средств в целях оценки уровня освещенности и эстетичности соответствующего интерьера или экстерьера. Для архитектурных проектов особенно важно уметь демонстрировать, как будет выглядеть спроектированное здание или интерьер дома при различных условиях освещения.
3. Создание рекламных и демонстрационных презентаций. В данной сфере применение можно условно разделить на демонстрацию решения, находящегося в проекте, и дополненную реальность — встраивание виртуального ЗБ объекта в видео-последовательность или изображения, снятые с реального мира.
4. Киноиндустрия, мультипликация и индустрия компьютерных игр (созда-
Рис. 2.1. Иллюстрация алгоритма излучательности и получаемой системы уравнений [38].
Форм фактор, в свою очередь, можно расчитать для каждой пары патчей при помощи Аналогии Нуссельга [39] зная только геометрию сцены.
Основными недостатками метода излучателыюсти являются:
1. Поддержка только Ламбретовских материалов.
2. Артефакты на изображении (т.е. низкая точность) в местах перехода между патчами.
3. Большой объем потребляемой памяти и вычислений при увеличении точности и необходимости расчета резких переходов свет-тень даже при адаптивном разбиении (разный размер патчей в зависимости от того, насколько быстро па поверхности происходит смена света и тени).
Тем не менее излучателыюсть достаточно часто используется для вычисления вторичного диффузного освещения, когда высокая точность не требуется. Например, в известной компьютерной игре Battlefield 3 для предрасчета вторичного освещения [40].
Мгновенная Излучательность и VPL
Основная идея метода мгновенной излучительности (Instant Radiosity; рис. 2.2) заключается в том, чтобы апроксимировать вторичное освещение в сцене при помощи некоторого числа виртуальных точечных источников света (VPL, Virtual Point Light) [41]. При этом сами виртуальные источники могут расставляться по сцене различными способами. Освещение от точечных источников света может быть вычислено при помощи трассировки лучей или метода карт