Алгоритм трасування променів на основі методу screen space ray marching

Abstract

Ray tracing is a very important operation in modern computer graphics which enables photorealistic rendering with advanced level of accuracy in simulating light transport and interaction with geometric objects. By tracing the path of individual light rays and determining how they bounce through the environment, rendering engines produce highly detailed and precise reflections, shadows, refractions and global illumination, which significantly enhances visual fidelity. This technology is an integral part of computer simulation and modeling software packages, animated films and cinematic effects production software and also computer games and other interactive graphics applications where the demand for realistic visuals continues to grow. Recent advancements in graphics hardware capabilities including hardware ray tracing support introduction increased ray tracing performance significantly. However, ray tracing remains a significant bottleneck in a majority of algorithms used in modern rendering engines. Due to that, ray tracing optimization is an important research direction nowadays. This work is aimed at development of the screen space ray marching implementation capable of correct determination of the valid ray tracing query result when environment geometric information stored in the depth buffer is sufficient to guarantee it. The implementation of this method is presented that is both efficient and provides good precision of the results. Experimental testing is performed to validate the results and measure the performance of the implementation. Based on these observations, we prove the benefit of using our implementation in the hybrid ray tracing system, which runs screen space ray marching method to avoid executing costly hardware ray tracing for all the rays to be traced.

Трасування променів є дуже важливою операцією в сучасній комп’ютерній графіці, яка дає змогу здійснювати фотореалістичний рендеринг віртуальних середовищ з високим рівнем точності моделювання взаємодії світла з геометричними об’єктами. Відстежуючи шлях окремих променів світла, бібліотеки рендерингу здатні обчислювати дзеркальні відображення, тіні, заломлення світла та глобальне освітлення, що забезпечує високу якість зображення. Ця технологія є невід’ємною частиною програмного забезпечення для комп’ютерного моделювання, створення анімаційних фільмів та кінематографічних ефектів, а також комп’ютерних ігор та інших інтерактивних графічних програм, де попит на реалістичні візуальні ефекти продовжує зростати. Розвиток апаратних можливостей графічних процесорів, зокрема поява підтримки апаратного прискорення трасування променів, значно підвищує продуктивність операції трасування. Проте трасування променів залишається слабкою ланкою у ефективності більшості алгоритмів, які використовуються в сучасних бібліотеках рендерингу. У зв’язку з цим оптимізація трасування променів є актуальним напрямком досліджень. Метою цієї роботи є розробка реалізації методу маршування променів у просторі екрану, здатної визначити коректний результат трасування променя у разі коли буфер глибини містить необхідну для цього геометричну інформацію про середовище. Представлена реалізація цього методу є одночасно ефективною та забезпечує хорошу точність результатів. Для підтвердження результатів і вимірювання продуктивності отриманої реалізації проводиться експериментальне тестування. Дані, отримані на основі цих спостережень, доводять актуальність використання нашої реалізації в гібридній системі трасування променів, яка використовує метод маршування променів у просторі екрану, щоб уникнути виконання повільного апаратного трасування променів для частини запитів трасування.