Ray tracing of dynamic scenes

Abstract

In the last decade ray tracing performance reached interactive frame rates for nontrivial scenes, which roused the desire to also ray trace dynamic scenes. Changing the geometry of a scene, however, invalidates the precomputed auxiliary data-structures needed to accelerate ray tracing. In this thesis we review and discuss several approaches to deal with the challenge of ray tracing dynamic scenes. In particular we present the motion decomposition approach that avoids the invalidation of acceleration structures due to changing geometry. To this end, the animated scene is analyzed in a preprocessing step to split it into coherently moving parts. Because the relative movement of the primitives within each part is small it can be handled by special, pre-built kd-trees. Motion decomposition enables ray tracing of predefined animations and skinned meshed at interactive frame rates. Our second main contribution is the streamed binning approach. It approximates the evaluation of the cost function that governs the construction of optimized kd-trees and BVHs. As a result, construction speed especially for BVHs can be increased by one order of magnitude while still maintaining their high quality for ray tracing.

Im letzten Jahrzehnt wurden interaktive Bildwiederholraten bei dem Raytracen von nicht trivialen Szenen erreicht. Dies hat den Wunsch geweckt, auch sich verändernde Szenen mit Raytracing darstellen zu können. Allerdings werden die vorberechneten Datenstrukturen, welche für die Beschleunigung von Raytracing gebraucht werden, durch Veränderungen an der Geometrie einer Szene unbrauchbar gemacht. In dieser Dissertation untersuchen und diskutieren wir mehrere Lösungsansätze für das Problem der Darstellung von sich verändernden Szenen mittels Raytracings. Insbesondere stellen wir den Motion Decomposition Ansatz vor, welcher die bisher nötige Neuberechnung der Beschleunigungsdatenstrukturen aufgrund von Geometrieänderungen zu einem großen Teil vermeidet. Dazu wird in einem Vorberechnungsschritt die animierte Szene untersucht und diese in sich ähnlich bewegende Teile zerlegt. Da dadurch die relative Bewegung der Primitiven der Teilszenen zueinander sehr klein ist kann sie durch spezielle, vorberechnete kd-Bäume toleriert werden. Motion Decomposition ermöglicht das Raytracen von vordefinierte Animationen und Skinned Meshes mit interaktiven Bildwiederholraten. Unser zweiten Hauptbeitrag ist der Streamed Binning Ansatz. Dabei wird die Kostenfunktion, welche die Konstruktion von für Raytracing optimierten kd-Bäumen und BVHs steuert, näherungsweise ausgewertet, wobei deren Qualität kaum beeinträchtigt wird. Im Ergebnis wird insbesondere die Zeit für den Aufbau von BVHs um eine Größenordnung reduziert.