조명 계산의 병렬성 및 적응성을 이용한 고품질 광선 추적 계산의 가속
Acceleration of High Quality Ray Tracing by Exploiting Parallelism and Adaptiveness of Illumination Computation
초록/요약
가상의 3차원 공간에 정의된 장면에 대한 사실적인 가시화는 그래픽스 분야에서 전통적으로 중요하게 연구되어 온 주제로써 3D 애니메이션, 영화, 3D 게임, 과학적 가시화, 의료 영상, 실내 조명 디자인, 가상 품평 등 그 적용범위와 효과가 매우 크다. 최근의 SIMD 연산을 제공하는 다중 코어(multi-core) CPU와 프로그래밍 가능한 다수 코어(many-core) GPU에서 제공하는 병렬 컴퓨팅 환경은 많은 계산 시간을 요구하는 다양한 응용에 대한 단일 노드에서의 효과적인 가속화를 가능하게 하고 있으며 사실적인 영상 생성에 대한 가속화 기법도 활발하게 연구되고 있는 응용이다. 본 논문에서는 물체 표면 및 비정형 매체를 포함하는 가상의 3차원 장면에 대한 사실적인 고품질 영상 생성에 반드시 필요한 물리 기반 전역 조명 효과 계산을 내재하는 병렬성과 적응성을 이용하여 가속화하는 방법을 제안하였다. 특히 각 방법을 병렬 컴퓨팅 환경을 제공하는 하드웨어에 적합한 형태로 설계하여 이들 하드웨어의 성능을 최대한 활용할 수 있도록 하였다. 이를 위하여 첫째, 물리 기반 렌더링 계산을 효과적으로 분할하였다. 둘째, SIMD 기반 적응적 언더샘플링 기법을 사용하여 물체 표면에서의 부드러운 그림자 및 반사 효과를 가속하였다. 셋째, GPU의 래스터화(rasterization) 연산과 텍스처 하드웨어를 이용한 간접 비정반사 조명 효과를 가속하였다. 넷째, GPU에서 효과적인 자료 구조 및 렌더링 알고리즘을 사용하여 파티클 형태로 모델링된 비정형 매체에 대한 고성능/고품질 렌더링을 가속하였다. 이렇게 물리 기반 렌더링 계산을 분할하고 분할된 요소 중, 비용이 큰 고급 렌더링 효과를 위한 주요 요소의 계산을 가속함으로써 사실적인 영상을 CPU의 단일코어 대비 수배에서 수십배 이상의 성능으로 생성하도록 하였다. 본 논문에서 제안하는 기법들을 통해 보다 장면의 복잡도나 영상의 해상도 등에 안정적인 사실적인 전역 조명 효과 생성 알고리즘으로써 다양한 응용에서 활용될 수 있으리라 기대한다.
more초록/요약
The fast ray tracing based high quality rendering is one of the most sought-after techniques in many fields such as 3D animation, movie, 3D game, scientific visualization, medical image, interior light design, virtual evaluation as the computing power of modern processing units is growing fast. Specially, the parallel computing environments provided on recent multi-core CPU and programmable many-core GPU improve performance of various applications which need extensive operations. This thesis comprises a study of acceleration techniques for ray tracing based global illumination by exploiting parallelism and adaptiveness of illumination computation. These techniques which are designed to maximize the usage of parallel computing abilities of modern processing units can generate photo-realistic images for 3D scenes including object surface and participating media. My research has investigated specific algorithms in detail with four objectives in mind: dissect physically based rendering equation effectively, accelerate computations of soft shadow and soft reflection by reducing high cost per-ray computations using interpolation, improve indirect nonspecular illumination computation with the fast hemi-sphere sampling of many rays and adaptive nondiffuse photon splatting using GPU's rasterization and texture units, and visualize particle formed participating media with GPU-efficient data structures and rendering algorithms. It is shown that the performance of proposed parallel techniques are increased from several time to tens of times faster than with single-core methods. The proposed algorithms can be applicable as robust and realistic global illumination generation algorithms for scenes including complex rendering environments.
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