Augenblick: Ein effizientes Framework für Echtzeit Ray Tracing

Das Ray Tracing-Bildsynthese-Verfahren ist bekannt sowohl für einen hohen Grad des Realismus der generierten Bilder, als auch für gleichermaßen hohe Laufzeiten. In den letzten Jahren wurde durch zahlreiche Forschungen die Geschwindigkeit des Verfahrens grundlegend verbessert, so dass heute bereits schon Szenen mittlerer Komplexität in Echtzeit auf einem einzelnen Rechner synthetisiert werden.Diese Arbeit trägt dazu bei das Ray Tracing-Verfahren im Kontext der Echtzeit- Visualisierung weiter zu entwickeln. Es wird gezeigt, dass sich entgegen der verbreiteten Meinung Effizienz, Flexibilität und Benutzbarkeit nicht zwangsläufig gegenseitig aus- schließen. Insbesondere für eine umfangreiche Software ist eine sorgfältig realisierte Architektur von grundlegender Bedeutung; eine Tatsache die im Bereich der Echtzeit- Anwendungen häufig vernachlässigt wird. Durch Messergebnisse wird belegt, dass mit einer solchen Architektur eine hohe Leistungsfähigkeit erreicht wird, trotz des soft- waretechnischen Überbaus. Weiterhin wird gezeigt, dass durch die Verwendung von SIMD-Klassen die Lesbarkeit und damit die Benutzbarkeit deutlich gefördert werden, dabei aber die Laufzeit nachweisbar nicht negativ beeinflusst wird.Aufbauend auf diesen Ergebnissen wird anschließend gezeigt, dass die direkte Verwen- dung von NURBS-Flächen im Kontext des Ray Tracing auch ohne eine sonst übliche Tessellierung möglich ist. Dies bietet eine Reihe von Vorteilen, wie beispielsweise eine optimal korrekte Berechnung von Reflexionen, bedingt durch die C2 Stetigkeit der Flächen. Dabei unterliegt die Leistungsfähigkeit der auf NURBS basierenden Szenen zwar dem herkömmlichen Ray Tracing von Dreiecken, der Unterschied ist allerdings nur noch geringfügig. So sind auf Dreiecken basierende Szenen in einer hohen Qua- lität oft nicht schneller als Faktor zwei, bei allen damit verbundenen Nachteilen der Dreiecks-Repräsentation.Abschließend werden Verfahren entwickelt, um die globale Beleuchtung in einer mög- lichst effizienten Art und Weise zu simulieren. Es werden für statische Szenen das Photon Mapping-Verfahren sowie, insbesondere für NURBS-Szenen gut geeignet, Pho- ton Textures verwendet bzw. entwickelt. Es zeigt sich, dass die Photon Textures durch eine progressive Bildsynthese eine interaktive Bildwiederholrate auf einem einzelnen Rechner auch für NURBS-Szenen ermöglichen. Weiterhin werden dynamische Szenen untersucht. Unter Verwendung von Halton-Sequenzen, ist es möglich, einzelne ungül- tig gewordene Teile der Beleuchtungssimulation neu zu berechnen. Dadurch, dass bei jedweder Dynamik in der Szene eine vollständige Neuberechnung vermieden wird, ist es möglich auch für nicht triviale Szenen eine interaktive Bildwiederholrate bei dynamischen Szenen beizubehalten.Mit den im Rahmen dieser Arbeit behandelten Themen wird das Echtzeit Ray Tracing um eine Reihe neuer Aspekte erweitert, die eine hohe Relevanz vorwiegend, aber nicht nur, für die Bildsynthese haben.