Laitteistokiihdytteisen säteenseurannan hyödyntäminen reaaliaikaisessa renderöinnissä

Abstract

NVIDIA:n esitellessä maailman ensimmäiset laitteistokiihdytteistä säteenseurantaa tukevat Turing-arkkitehtuurin näytönohjaimet vuonna 2018, mahdollisti se säteenseurannan hyödyntämisen reaaliaikaisessa renderöinnissä. Säteenseurannan ollessa tunnetusti laskennallisesti hyvinkin raskas verrattuna esimerkiksi rasterointiin, on tutkielman tarkoitus selvittää missä määrin ja millä menetelmin ja tavoin säteenseurantaa kyetään hyödyntämään reaaliaikaisessa renderöinnissä ja mitä haasteita siihen liittyy. Säteenseurannan suorituskyvyn esittelemiseksi tutkielman empiirisessä osiossa arvioitiin säteenseurannan suorituskykyä ja siihen vaikuttavia tekijöitä NVIDIA:n Turing-arkkitehtuurin näytönohjaimella. Varsinaisia menetelmiä ja tapoja laitteistokiihdytteisen säteenseurannan hyödyntämiseen ja siihen liittyviä haasteita tarkasteltiin, niin nykyisissä videopeleissä perustuen pääsääntöisesti GDC konferenssitallenteisiin, kuin myös kirjallisuuskatsauksen avulla. Videopeleissä säteenseurannan laskennallinen vaativuus näkyy rasteroinnin säilymisenä päätekniikkana renderöinnissä säteenseurannan täydentäessä valittujen valon ilmenemismuotojen kuvaamista. Kirjallisuuskatsauksessa tutkimuksen havaittiin pääsääntöisesti keskittyvän näytteiden tehokkaaseen hyödyntämiseen ja häiriönpoistoon, joihin lukeutuvia menetelmiä tutkielmassa tarkemmin esitellään. Merkittävimpinä havaittuina haasteina voidaan pitää monivalo-ongelmaa, sekä menetelmien ajallista vakautta ja harhattomuutta.

Since 2018 when NVIDIA introduced the world's first GPUs supporting hardware accelerated ray tracing, ray tracing has become available in real-time rendering. As ray tracing is known for its computational complexity, the purpose of this study is to introduce methods and ways to utilize ray tracing in real-time rendering, as well related notable challenges. To introduce the performance of hardware accelerated ray tracing and to study performance affecting factors more closely, empirical study using NVIDIA Turing architecture GPU was conducted. The methods and ways to utilize ray tracing in real-time rendering and related challenges were explored through literature review and through studying ray tracing usage in current video games mainly by reviewing GDC presentations. In reviewed video games the computational complexity of ray tracing was seen as usage of rasterization as primary rendering technique, whereas ray tracing was used for complementing selected effects. In literature review the research around real-time ray tracing was seen as mostly focusing on efficient sampling and denoising techniques, which are introduced in detail in this study. The most notable challenges detected in real-time ray tracing are many-lights problem and temporal stability and unbiasedness of used techniques.