SaarCOR : a hardware architecture for real-time ray tracing

Abstract

For many decades, ray tracing is known and well used for rendering highly realistic images. Since ray tracing simulates the physical transport of light even highly complex optical properties and illumination conditions can be rendered correctly. Due to these features ray tracing is used e.g. for commercials and movies, in architecture, and for visualizations of industrial prototypes. Especially for latter application it is of great advantage that ray tracing can handle highly complex models very well. However, achieving this high standard in image quality requires relatively complex calculations and a rather unstructured memory access behavior. For these reasons rendering an image of a simple scene already takes several minutes on standard processors, while complex simulations can run for many hours. Using high-end processors and multiprocessor machines does not solve the issue of rendering time in general and therefore will not be an option for realtime applications in the next years. Due to the same reasons — complex calculations and unstructured memory access patterns — previous attempts to built special hardware to accelerate full featured ray tracing for general applications did not provide the necessary processing power. This thesis presents how the ray tracing algorithm can be restructured to allow for structured memory accesses. Using these modifications a complete hardware architecture for realtime ray tracing is developed and verified using cycle-accurate simulations. Finally, these new techniques allowed for the world';s first prototype implementation of full featured ray tracing of complex environments on a single chip.

Seit vielen Jahrzehnten ist Strahlverfolgung (engl. Ray-Tracing) eine bekannte und viel genutzte Technik, um hochrealistische Bilder zu erzeugen. Dieses Verfahren simuliert den physikalische Transport von Licht, wodurch auch hochkomplexe optische Zusammenhänge und Beleuchtungssituationen korrekt dargestellt werden können. Verwendet wird das Verfahren deshalb beispielsweise in der Werbung und Filmindustrie, in der Architektur sowie bei der industriellen Prototypenentwicklung. Gerade für letztere Anwendung ist es von besonderer Bedeutung, dass Ray-Tracing auch mit hochkomplexen Modellen sehr gut arbeiten kann. Um diese hohe Bildqualität zu erreichen benötigt das Verfahren relativ komplexe Berechnungen mit einem nahezu unstrukturierten Speicherzugriffsverhalten. Aus diesem Grund dauert die Berechnung eines Bildes auf Standard-Prozessoren in der Regel zwischen mehreren Minuten für einfache Szenen bis zu vielen Stunden für komplexe Simulationen. Die Verwendung von modernen, hochgetakteten CPUs und großen Multi-Prozessor- Maschinen hat hierbei das Problem nicht grundlegend lösen können und wird auch in den nächsten Jahren keine Echtzeitanwendungen ermöglichen. Die gleichen Gründe - komplexe Berechnungen und unstrukturierte Speicherzugriffe - haben auch dazu geführt, dass bisherige Versuche, Ray-Tracing mit Spezial-Hardware zu beschleunigen,für allgemeine Anwendungen nicht zu der nötigen Leistung geführt haben. Diese Arbeit stellt einen umstrukturierten Ray-Tracing Algorithmus vor, der das Problem der unstrukturierten Speicherzugriffe löst und entwickelt detailiert eine komplette Hardware-Architektur für Echtzeit-Ray-Tracing. Diese Architektur wird in genauen Simulationen untersucht und eine Prototypenimplementierung zeigt weltweit erstmals Ray-Tracing von komplexen Szenen und optischen Effekten in Echtzeit auf nur einem einzelnen Chip.