Прискорення фотонного відображення для апаратного трасування променів

Анотований переклад статті

«Прискорення фотонного відображення для апаратного трасування променів» Рене Керн Т.Ю. Клаусталь, Фелікс Брюль Т.Ю. Клаусталь, Торстен Грош Т.Ю. Клаусталь

Стаття описує різні методи апроксимації рішення рівняння відображення в комп’ютерній графіці, такі як photon mapping, path tracing, bidirectional path tracing, metropolis light transport і vertex connection and merging («Фотонне відображення», «Трасування шляху», «Дводольне трасування шляху», «Транспорт світла Метрополіса» і «З’єднання та об’єднання вершин»). Фотонне відображення особливо відзначається відображенням світлових плям, таких як каустіки.

Фотонне відображення — це алгоритм, що складається з двох етапів: генерації фотонів та їх збору. Фотони розподіляються від джерел світла та прослідковуються променями через сцену для їх генерації. Зіткнення з дифузними поверхнями зберігаються в фотонній карті. На етапі збору сцену прослідковують від точки камери, де збираються всі фотони, що влучили в дифузну поверхню у заданому радіусі.

У зв’язку з покращенням апаратних засобів для обробки графіки, які тепер підтримують апаратно-підтримане прослідковування променів, багато з цих технік стали швидшими. Швидкий пошук за радіусом дозволяє прискорити збір фотонів шляхом збереження їх у прискорюючій структурі прослідковування променів та їх подальшого збору через прослідковування променів.

Автори описують прогресивний фотонний мапер, оптимізований для апаратного прослідковування променів, який використовує швидкий пошук за радіусом для збору фотонів. Також вони представляють дві нові техніки, що ще більше прискорюють прогресивний фотонний мапер: відбір фотонів та стохастичне оцінювання. Порівняння проводиться з двома сучасними техніками хешування на GPU для різних сцен.

У огляді літератури описано погляди на різні техніки фотонного мапінгу, методи оцінювання світла та прискорення їх обчислень. В основному, розглядаються такі методи, як фотонне мапування, прогресивне фотонне мапування та його варіації, а також техніки для використання апаратного прослідковування променів для прискорення обчислень радіусного пошуку.

Автори, як Jensen [2001], Hachisuka [2008, 2009, 2010], Mara [2013], Kim [2019], Yang [2021], та Evangelou [2021], представляють різні підходи до фотонного мапування, включаючи прогресивні та паралельні реалізації, а також техніки використання апаратного прослідковування променів для швидкого пошуку радіусом.

Основні підходи полягають у зберіганні фотонів на поверхнях та їх використанні для рендерингу сцени, використанні швидкого радіусного пошуку для прискорення обчислень, та реалізації рендерингу каустик в реальному часі за допомогою апаратного прослідковування променів.

У розділі «Апаратне трасування променів Photon Mapper» автори пропонують докладність реалізації прогресивного фотонного мапера на базі апаратного прослідковування променів (RTPM). Розділ 3.1 надає фундаментальні концепції, зокрема пояснюється, що RTPM базується на методі фотонного мапування [Jensen 2001], яке дозволяє апроксимувати глобальне освітлення сцени та відтворювати каустики.

Фотони відстежуються від джерел світла та зберігаються у фотонних картах на дифузних поверхнях сцени. Другий прохід здійснює збір фотонів з точки зору камери, де за допомогою фотонної карти визначається вихідний світловий потік для певної точки на поверхні. Але через обмежену продуктивність GPU, алгоритм RTPM використовує стохастичний прогресивний фотонний мапінг (SPPM) [Hachisuka and Jensen 2009], який є розширенням прогресивного фотонного мапінгу (PPM) [Hachisuka et al. 2008].

В RTPM використовується зменшення радіусу пошуку фотонів згідно з певною послідовністю для кожної ітерації замість зниження радіусу для кожної точки збору, що залежить від кількості зібраних фотонів. Також описується метод зворотного радіусного пошуку фотонів, який використовує апаратне прослідковування променів для збору фотонів за допомогою невеликих променів.

Розділ 3.2 дає огляд алгоритму RTPM та пояснює, що реалізація алгоритму доповнена до апаратної специфіки прослідковування променів. Також він обговорює проблеми з використанням камерних точок для пошуку через конфлікти даних, а також розглядається нова техніка Photon Culling, яка дозволяє обмежувати збір фотонів поза межами області камери.