Algorithms and data structures for interactive ray tracing on commodity hardware

Abstract

Rendering methods based on ray tracing provide high image realism, but have been historically regarded as offline only. This has changed in the past decade, due to significant advances in the construction and traversal performance of acceleration structures and the efficient use of data-parallel processing. Today, all major graphics companies offer real-time ray tracing solutions. The following work has contributed to this development with some key insights. We first address the limited support of dynamic scenes in previous work, by proposing two new parallel-friendly construction algorithms for KD-trees and BVHs. By approximating the cost function, we accelerate construction by up to an order of magnitude (especially for BVHs), at the expense of only tiny degradation to traversal performance. For the static portions of the scene, we also address the topic of creating the “perfect” acceleration structure. We develop a polynomial time non-greedy BVH construction algorithm. We then modify it to produce a new type of acceleration structure that inherits both the high performance of KD-trees and the small size of BVHs. Finally, we focus on bringing real-time ray tracing to commodity desktop computers. We develop several new KD-tree and BVH traversal algorithms specifically tailored for the GPU. With them, we show for the first time that GPU ray tracing is indeed feasible, and it can outperform CPU ray tracing by almost an order of magnitude, even on large CAD models.

Ray-Tracing basierte Bildsynthese-Verfahren bieten einen hohen Grad an Realismus, wurden allerdings in der Vergangenheit ausschließlich als nicht echtzeitfähig betrachtet. Dies hat sich innerhalb des letzten Jahrzehnts geändert durch signifikante Fortschritte sowohl im Bereich der Erstellung und Traversierung von Beschleunigungs-Strukturen, als auch im effizienten Einsatz paralleler Berechnung. Heute bieten alle großen Grafik-Firmen Echtzeit-Ray-Tracing Lösungen an. Die vorliegende Dissertation behandelt Beträge zu dieser Entwicklung in mehreren Kernaspekten. Der erste Teil beschäftigt sich mit der eingeschränkten Unterstützung von dynamischen Szenen in bisherigen Verfahren. Hierbei behandeln wir zwei zur Parallelisierung geeignete Algorithmen zur Erstellung von KD-Bäumen und Bounding-Volume-Hierarchien. Durch Approximation von Kosten-Funktionen kann eine Verbesserung der Konstruktionszeit von bis zu einer Größenordnung erreicht werden (speziell für BVH-Strukturen), bei nur geringem Verlust von Traversierungs-Effizienz. Mit Blick auf den statischen Teil einer Szene beschäftigen wir uns mit der Erstellung “perfekter” Beschleunigungs-Strukturen. Wir entwickeln einen Algorithmus zur BVH-Erstellung, der ein globales Optimum in polynomialer Zeit liefert. Dies führt zu einer neuartigen Beschleunigungs-Struktur, welche sowohl die hohe Leistung von KD-Bäumen, als auch den geringen Platzbedarf von BVH-Strukturen in sich vereinigt. Abschließend betrachten wir Echtzeit-Ray-Tracing auf Desktop-Computern. Wir entwickeln neuartige KD-Baum- und BVH-Traversierungs-Algorithmen, die speziell auf den Einsatz von Grafikprozessoren zugeschnitten sind. Wir zeigen damit zum ersten Mal, dass GPU-Ray-Tracing nicht nur praktikabel ist, sondern auch mehr als eine Größenordnung effizienter sein kann als CPU basierte Ray-Tracing-Verfahren, selbst bei der Darstellung großer CAD Modelle.