Методы глобального освещения для интерактивного синтеза изображений сложных сцен на графических процессорах

• Автор: Боголепов, Денис Константинович
• Шифр специальности: 05.13.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 185 с. : ил.

Содержание
® Введение
Глава 1. Обзор публикаций и программного обеспечения по теме исследования
• 1.1. Трассировка лучей и глобальное освещение
1.2. Интерактивная трассировка лучей
1.3. Интерактивное глобальное освещение
0 1.4. Выводы к главе
Глава 2. Система моделей для алгоритмизации и конвейерной реализации лучевых методов синтеза изображений на массивно-параллельных ф вычислительных архитектурах
2.1. Элементы энергетического подхода к физически достоверному моделированию глобального освещения
2.2. Моделирование рассеяния света на поверхностях материалов
2.3. Исследование специализированных форм уравнения визуализации, подлежащих реализации в методах глобального освещения
2.4. Уравнение измерения как основа физически достоверного синтеза изображений

2.5. Моделирование пространства путей для решения уравнения
измерения методом Монте-Карло
2.6. Компоненты генерации случайных путей для класса методов
глобального освещения
2.7. Покомпонентное представление метода стохастической трассировки
путей в системе моделей глобального освещения
2.8. Реализация и модификация двунаправленной трассировки путей на
основе системы моделей глобального освещения
^ 2.9. Выводы к главе

Глава 3. Универсальный конвейер трассировки лучей для интерактивного синтеза изображений методами глобального освещения на графических процессорах
3.1. Построение на графическом процессоре эффективной ускоряющей
Ф структуры для лучевых методов синтеза изображений
3.2. Метод представления и сериализации иерархической
объектно-ориентированной модели сложной сцены
3.3. Компоненты универсальной системы синтеза изображений
ф методами глобального освещения
3.4. Выводы к главе
Глава 4. Программный комплекс для интерактивного синтеза изображений сложных сцен на графических процессорах методами глобального
освещения и его экспериментальное исследование
4.2. Состав и структура программного комплекса интерактивного синтеза изображений методами глобального освещения

4.3. Экспериментальная проверка корректности моделирования глобального освещения в различных условиях переноса световой энергии в сцене
4.4. Исследование алгоритма «усеченной» двунаправленной трассировки
путей в различных условиях переноса световой энергии
4.5. Исследование производительности программного комплекса
4.6. Выводы к главе
® Заключение
Список литературы

Актуальность темы диссертационной работы. Методы глобального освещения традиционно используются в компьютерной графике для синтеза фотореалистичных изображений. Программное обеспечение на их основе применяется в киноиндустрии, рекламе, проектировании архитектурных сооружений, дизайне помещений и офисов, компьютерных играх и симуляторах, а также во многих других системах виртуальной реальности. Расчет глобального освещения — вычислительно трудоемкая задача, для решения которой обычно применяются высокопроизводительные распределенные системы.
Традиционный способ визуализации динамических 3D сцен в реальном времени основан на алгоритме растеризации, который аппаратно ускоряется графическими процессорами и доступен через интерфейсы (API) OpenGL и Direct3D. Данный подход не позволяет обрабатывать вторичное освещение и физически достоверные модели материалов и источников света. К настоящему моменту предложены различные подходы для имитации тех или иных эффектов глобального освещения, среди которых следует отметить методы внешней преграды (ambient occlusion), отражающих теневых карт (reflective shadow maps), мгновенной излу-чательности (instant radiosity), а также методы фотонных карт в пространстве изображения (image space photon mapping). Перечисленные подходы позволяют добиться высокой производительности за счет аппаратной растеризации, однако воспроизводят только часть необходимых эффектов. Интерфейсы 3D графики не поддерживают трассировку лучей, на основе которой реализуются многие методы глобального освещения.
В последние годы появились и активно развиваются универсальные инструменты программирования (NVIDIA CUDA, OpenCL, Compute Shaders), которые позволяют задействовать вычислительные возможности графических ускорителей для широкого класса задач. Современный графический процессор NVIDIA GeForce GTX 680 имеет пиковую производительность свыше 3 Терафлопс, что позволяет говорить об эпохе персональных супервычислений. Основным препятствием на пути к использованию таких ресурсов является высокая сложность разработки для массивно-параллельных графических архитектур, связанная с необходимостью глубокой переработки традиционных алгоритмов.
Одна из актуальных задач современной компьютерной графики - портирование методов глобального освещения на графические процессоры с целью визуализации сложных 3D сцен в интерактивном режиме. Данная область активно исследуется как в России, так и за ее
Модифицированный алгоритм прохода был протестирован на ускорителе NVIDIA GeForce 6800 GT4. Интерактивного режима удалось достичь на простейших сценах из нескольких тысяч треугольников в разрешении 256 х 256 пикселей (производительность не превышала 200К лучей в секунду). На более сложных сценах скорость работы значительно уступала стандартному визуализатору Mental Ray для пакета моделирования 3D Studio Мах.
5 4 3 2 2 1 1 1 2
5 4 3 2 1 1 Л 1 1
5 4 3 2 1 °/ 0 "В- 0
5 4 3 2 1 І 0 0,
5 4 3 2 1 V 1Ґ 0 1
5 4 3 2 1 1 1 1 1
5 4 3 2 2 2 2 2 2
5 4 3 3 3 3 3 3 3
5 4 4 4 4 4 4 4 4
5 5 5 5 5 5 5 5 5
Рис. 1.10. Пример карты близости для регулярной сетки
В работе [85] была предложена реализация стека на графическом процессоре, которая применялась при обходе к-<1 дерева в алгоритме потоковой трассировки лучей. Для хранения фрагментных стеков применялась текстура, разбитая на к блоков размера N * N. одинаковые элементы которых соответствуют различным уровням одного фрагментного стека (рис. 1.11). Указатели на вершины стеков хранятся в отдельной текстуре размера N * N. Все операции над системой стеков выполняются путем вывода прямоугольника, полностью покрывающего окно размера N * N. В ходе обработки фрагментов каждый шейдер производит определенное действие над стеком соответствующего фрагмента. Для реализации операций добавления и извлечения из фрагментных стеков использовалась многопроходная техника. Данный подход хорошо укладывается в парадигму потокового программирования и сочетается с реализацией потоковой трассировки [79]. Однако многочисленные операции над системой стеков создают дополнительную нагрузку на подсистему памяти.
Level 0 Level 1 Level 2 Level З
------А---------„---------А---------„---------А--------чу---------А
АО ВО СО А1 В1 С1 А2 В2 Е2 A3 ВЗ СЗ
DO ЕО F0 D1 Е1 F1 D2 Е2 F2 03 ЕЗ F
GO НО Ю G1 Н1 И G2 Н2 12 G3 НЗ
Рис. 1.11. Пример текстуры для хранения 9 стеков (А...Г) по 4 уровня каждый (0..3)
4 Имеет 6 вершинных и 16 пиксельных процессоров с частотой 350 МГц. Полоса пропускания памяти -32 Гб/с.