Optimized Ray Tracing

Tato práce se zabývá optimalizačními algoritmy, které se snaží zefektivnit a zrychlit metodu sledování paprsku. Je zde řešeno několik akceleračních struktur a metoda pro snížení náročnosti výpočtu průsečíku se složitými tělesy. Část textu se rovněž zabývá samotnou metodou ray tracing a pojmy s ní spojené. Pro účely práce je vytvořena aplikace, na které je implementován algoritmus sledování paprsku za použití uniformní mřížky pro jeho optimalizaci.This thesis deals with optimization methods for ray tracing. There are discussed several methods of acceleration structures and method for reducing the complexity of calculating intersection with complex objects. Part of the text also deals with the ray tracing method and the concepts associated with this technique. For the purposes of this thesis have been created application, which is implemented ray tracing algorithm using a uniform grid for optimization.

Implicit Object Space Partitioning: The No-Memory BVH

We present a new ray tracing algorithm that requires no explicit acceleration data structure and therefore no memory. It is represented in a completely implicit way by triangle reordering. This new implicit data structure is simple to build, efficient to traverse and has a fast total time to image. The implicit acceleration data structure must be constructed only once and can be reused for arbitrary numbers of rays or ray batches without the need to rebuild the hierarchy. Due to the fast build times it is very well suitable for dynamic and animated scenes. We compare it to classic acceleration data structures, like a Bounding Volume Hierarchy, and analyze its effciency

Fortgeschrittene Entrauschungs-Verfahren und speicherlose Beschleunigungstechniken für realistische Bildsynthese

Stochastic ray tracing methods have become the industry's standard for today's realistic image synthesis thanks to their ability to achieve a supreme degree of realism by physically simulating various natural phenomena of light and cameras (e.g. global illumination, depth-of-field, or motion blur). Unfortunately, high computational cost for more complex scenes and image noise from insufficient simulations are major issues of these methods and, hence, acceleration and denoising are key components in stochastic ray tracing systems. In this thesis, we introduce two new filtering methods for advanced lighting and camera effects, as well as a novel approach for memoryless acceleration. In particular, we present an interactive filter for global illumination in the presence of depth-of-field, and a general and robust adaptive reconstruction framework for high-quality images with a wide range of rendering effects. To address complex scene geometry, we propose a novel concept which models the acceleration structure completely implicit, i.e. without any additional memory cost at all, while still allowing for interactive performance. Our contributions advance the state-of-the-art of denoising techniques for realistic image synthesis as well as the field of memoryless acceleration for ray tracing systems.Stochastische Ray-Tracing Methoden sind heutzutage der Industriestandard für realistische Bildsynthese, da sie einen hohen Grad an Realismus erzeugen können, indem sie verschiedene natürliche Phänomene (z.B. globale Beleuchtung, Tiefenunschärfe oder Bewegungsunschärfe) physikalisch korrekt simulieren. Offene Probleme dieser Verfahren sind hohe Rechenzeit für komplexere Szenen sowie Bildrauschen durch unzulängliche Simulationen. Demzufolge sind Beschleunigungstechniken und Entrauschungsverfahren essentielle Komponenten in stochastischen Ray-Tracing-Systemen. In dieser Arbeit stellen wir zwei neue Filter-Methoden für erweiterte Beleuchungs- und Kamera-Effekte sowie ein neuartiges Verfahren für eine speicherlose Beschleunigungsstruktur vor. Im Detail präsentieren wir einen interaktiven Filter für globale Beleuchtung in Kombination mit Tiefenunschärfe und einen generischen, robusten Ansatz für die adaptive Rekonstruktion von hoch-qualitativen Bildern mit einer großen Auswahl an Rendering-Effekten. Für das Problem hoher geometrischer Szenen-Komplexität demonstrieren wir ein neuartiges Konzept für die implizierte Modellierung der Beschleunigungsstruktur, welches keinen zusätzlichen Speicher verbraucht, aber weiterhin interaktive Laufzeiten ermöglicht. Unsere Beiträge verbessern sowohl den aktuellen Stand von Entrauschungs-Verfahren in der realistischen Bildsynthese als auch das Feld der speicherlosen Beschleunigungsstrukturen für Ray-Tracing-Systeme

Innovative Ray Tracing Algorithms for Space Thermal Analysis

Pour mettre au point le système de contrôle thermique d’un engin spatial (satellite, sonde ou véhicule habité), l’ingénieur thermicien utilise des logiciels adaptés, tels qu’ESARAD et ESATAN, commercialisés par ALSTOM. Comme la composante radiative peut jouer un rôle prédominant, les logiciels utilisés contiennent fréquemment un algorithme de lancer de rayons pour calculer les facteurs de vue et facteurs d’échange radiatif entre des surfaces de dimensions finies, supposées isothermes. Les flux externes (solaires, albédo et infrarouge terrestres) sont également calculés par lancer de rayons. Enfin, les couplages conductifs sont habituellement encodés manuellement par l’utilisateur.Comme le lancer de rayons est basé sur un processus aléatoire, la précision atteinte est déterminée par le nombre de rayons lancés. En général, le choix de ce nombre de rayons est laissé à la discrétion de l’ingénieur, ce qui peut conduire à des erreurs. Un autre inconvénient du lancer de rayons est sa faible convergence. Une méthode d’accélération du lancer de rayons est nécessaire.Dans le cadre de la thèse, nous avons développé une méthode de lancer de rayons plus performante, que nous avons appelée hémisphère stratifié, caractérisée par une meilleure convergence. Un contrôle statistique d’erreur a été développé : l’utilisateur spécifie la précision souhaitée (définie par une erreur relative maximale et un intervalle de confiance) et l’algorithme adapte automatiquement le nombre de rayons en fonction de la configuration géométrique. Sur base de cette erreur géométrique, un système d’équations adjointes est utilisé pour obtenir une erreur énergétique, caractérisant les transferts de chaleur entre les surfaces.L’hémisphère stratifié est étendu de manière à inclure des fonctions de réflexion plus complexes. L’application des relations de réciprocité et de fermeture est également considérée. La méthode matricielle de Gebhart, qui permet de dériver les facteurs d’échange radiatifs des facteurs de vue, est étendue de manière à inclure des surfaces non-diffuses et non-isothermes.Pour accélérer le lancer de rayons, les intersections rayons-surfaces ont été soigneusement étudiées. Nous avons également développé une méthode qui combine les primitives géométriques avec des maillages éléments finis. La représentation tri-dimensionnelle du modèle géométrique est plus adaptée au calcul de la composante radiative du transfert thermique tandis que les maillages éléments finis sont plus adaptés au calcul de la conduction. Cette méthode fournit également une accélération du lancer de rayons. De plus, le lancer de rayons est effectué sur la géométrie exacte, ce qui est nécessaire si des réflexions spéculaires sont modélisées. Nous expliquons comment le lancer de rayons peut être effectué sur la géométrie exacte et comment les facteurs de vue résultants peuvent être projetés sur les éléments finis. Nous définissons la notion de facteur de vue élément fini en calculant les facteurs de vue aux noeuds et en les interpolant sur l’élément fini au moyen des fonctions de forme. Ces facteurs de vue élément fini sont utilisés pour lier radiativement les noeuds du modèle. Comme le champ de température est projeté sur les fonctions de forme, nous obtenons des éléments non-isothermes, contrairement aux résultats de la méthode Thermal Lumped Parameter (différences finies) utilisée habituellement en thermique spatiale.Les liens conductifs sont calculés automatiquement sur base du maillage éléments finis.Toutes ces améliorations résultent dans un algorithme plus rapide que le programme de référence ESARAD (pour une précision équivalente) et qui fonctionne avec un petit nombre de paramètres définis par l’utilisateur.Pour valider l’algorithme proposé, le modèle du vaisseau XEUS, de l’ESA, a été implémenté. Des comparaisons ont été effectuées avec ESARAD et le code éléments finis SAMCEF