Ray tracing techniques for computer games and isosurface visualization

Ray tracing is a powerful image synthesis technique, that has been used for high-quality offline rendering since decades. In recent years, this technique has become more important for realtime applications, but still plays only a minor role in many areas. Some of the reasons are that ray tracing is compute intensive and has to rely on preprocessed data structures to achieve fast performance. This dissertation investigates methods to broaden the applicability of ray tracing and is divided into two parts. The first part explores the opportunities offered by ray tracing based game technology in the context of current and expected future performance levels. In this regard, novel methods are developed to efficiently support certain kinds of dynamic scenes, while avoiding the burden to fully recompute the required data structures. Furthermore, todays ray tracing performance levels are below what is needed for 3D games. Therefore, the multi-core CPU of the Playstation 3 is investigated, and an optimized ray tracing architecture presented to take steps towards the required performance. In part two, the focus shifts to isosurface raytracing. Isosurfaces are particularly important to understand the distribution of certain values in volumetric data. Since the structure of volumetric data sets is diverse, op- timized algorithms and data structures are developed for rectilinear as well as unstructured data sets which allow for realtime rendering of isosurfaces including advanced shading and visualization effects. This also includes tech- niques for out-of-core and time-varying data sets.Ray-tracing ist ein flexibles Bildgebungsverfahren, das schon seit Jahrzehnten für hoch qualitative, aber langsame Bilderzeugung genutzt wird. In den letzten Jahren wurde Ray-tracing auch für Echtzeitanwendungen immer interessanter, spielt aber in vielen Anwendungsbereichen noch immer eine untergeordnete Rolle. Einige der Gründe sind die Rechenintensität von Ray-tracing sowie die Abhängigkeit von vorberechneten Datenstrukturen um hohe Geschwindigkeiten zu erreichen. Diese Dissertation untersucht Methoden um die Anwendbarkeit von Ray-tracing in zwei verschiedenen Bereichen zu erhöhen. Im ersten Teil dieser Dissertation werden die Möglichkeiten, die Ray- tracing basierte Spieletechnologie bietet, im Kontext mit aktueller sowie zukünftig erwarteten Geschwindigkeiten untersucht. Darüber hinaus werden in diesem Zusammenhang Methoden entwickelt um bestimmte zeitveränderliche Szenen darstellen zu können ohne die dafür benötigen Datenstrukturen von Grund auf neu erstellen zu müssen. Da die Geschwindigkeit von Ray-tracing für Spiele bisher nicht ausreichend ist, wird die Mehrkern- CPU der Playstation 3 untersucht, und ein optimiertes Ray-tracing System beschrieben, das Ray-tracing näher an die benötigte Geschwindigkeit heranbringt. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Darstellung von Isoflächen mittels Ray-tracing. Isoflächen sind insbesonders wichtig um die Verteilung einzelner Werte in volumetrischen Datensätzen zu verstehen. Da diese Datensätze verschieden strukturiert sein können, werden für gitterförmige und unstrukturierte Datensätze optimierte Algorithmen und Datenstrukturen entwickelt, die die Echtzeitdarstellung von Isoflächen erlauben. Dies beinhaltet auch Erweiterungen für extrem große und zeitveränderliche Datensätze

Realtime ray tracing on current CPU architectures

In computer graphics, ray tracing has become a powerful tool for generating realistically looking images. Even though ray tracing offers high flexibility, a logarithmic scalability in scene complexity, and is known to be efficiently parallelizable, its demand for compute power has in the past lead to its limitation to high-quality off-line rendering. This thesis focuses on the question of how realtime ray tracing can be realized on current processor architectures. To this end, it provides a detailed analysis of the weaknesses and strengths of current processor architectures, for the purpose of allowing for highly optimized implementation. The combination of processor-specific optimizations with algorithms that exploit the coherence of ray tracing, makes it possible to achieve realtime performance on a single CPU. Besides the optimization of the ray tracing algorithm itself, this thesis focuses on the efficient building of spatial index structures. By building these structures from scratch for every frame, interactive ray tracing of fully dynamic scenes becomes possible. Moreover, a parallelization framework for ray tracing is discussed that efficiently exploits the compute power of a cluster of commodity PCs. Finally, a global illumination algorithm is proposed that efficiently combines optimized ray tracing and the parallelization framework. The combination makes it possible to compute complete global illumination at interactive frame rates

Interactive volume ray tracing

Die Visualisierung von volumetrischen Daten ist eine der interessantesten, aber sicherlich auch schwierigsten Anwendungsgebiete innerhalb der wissenschaftlichen Visualisierung. Im Gegensatz zu Oberflächenmodellen, repräsentieren solche Daten ein semi-transparentes Medium in einem 3D-Feld. Anwendungen reichen von medizinischen Untersuchungen, Simulation physikalischer Prozesse bis hin zur visuellen Kunst. Viele dieser Anwendungen verlangen Interaktivität hinsichtlich Darstellungs- und Visualisierungsparameter. Der Ray-Tracing- (Stahlverfolgungs-) Algorithmus wurde dabei, obwohl er inhärent die Interaktion mit einem solchen Medium simulieren kann, immer als zu langsam angesehen. Die meisten Forscher konzentrierten sich vielmehr auf Rasterisierungsansätze, da diese besser für Grafikkarten geeignet sind. Dabei leiden diese Ansätze entweder unter einer ungenügenden Qualität respektive Flexibilität. Die andere Alternative besteht darin, den Ray-Tracing-Algorithmus so zu beschleunigen, dass er sinnvoll für Visualisierungsanwendungen benutzt werden kann. Seit der Verfügbarkeit moderner Grafikkarten hat die Forschung auf diesem Gebiet nachgelassen, obwohl selbst moderne GPUs immer noch Limitierungen, wie beispielsweise der begrenzte Grafikkartenspeicher oder das umständliche Programmiermodell, enthalten. Die beiden in dieser Arbeit vorgestellten Methoden sind deshalb vollständig softwarebasiert, da es sinnvoller erscheint, möglichst viele Optimierungen in Software zu realisieren, bevor eine Portierung auf Hardware erfolgt. Die erste Methode wird impliziter Kd-Baum genannt, eine hierarchische und räumliche Beschleunigungstruktur, die ursprünglich für die Generierung von Isoflächen reguläre Gitterdatensätze entwickelt wurde. In der Zwischenzeit unterstützt sie auch die semi-transparente Darstellung, die Darstellung von zeitabhängigen Datensätzen und wurde erfolgreich für andere Anwendungen eingesetzt. Der zweite Algorithmus benutzt so genannte Plücker-Koordinaten, welche die Implementierung eines schnellen inkrementellen Traversierers für Datensätze erlauben, deren Primitive Tetraeder beziehungsweise Hexaeder sind. Beide Algorithmen wurden wesentlich optimiert, um eine interaktive Bildgenerierung volumetrischer Daten zu ermöglichen und stellen deshalb einen wichtigen Beitrag hin zu einem flexiblen und interaktiven Volumen-Ray-Tracing-System dar.Volume rendering is one of the most demanding and interesting topics among scientific visualization. Applications include medical examinations, simulation of physical processes, and visual art. Most of these applications demand interactivity with respect to the viewing and visualization parameters. The ray tracing algorithm, although inherently simulating light interaction with participating media, was always considered too slow. Instead, most researchers followed object-order algorithms better suited for graphics adapters, although such approaches often suffer either from low quality or lack of flexibility. Another alternative is to speed up the ray tracing algorithm to make it competitive for volumetric visualization tasks. Since the advent of modern graphic adapters, research in this area had somehow ceased, although some limitations of GPUs, e.g. limited graphics board memory and tedious programming model, are still a problem. The two methods discussed in this thesis are therefore purely software-based since it is believed that software implementations allow for a far better optimization process before porting algorithms to hardware. The first method is called implicit kd-tree, which is a hierarchical spatial acceleration structure originally developed for iso-surface rendering of regular data sets that now supports semi-transparent rendering, time-dependent data visualization, and is even used in non volume-rendering applications. The second algorithm uses so-called Plücker coordinates, providing a fast incremental traversal for data sets consisting of tetrahedral or hexahedral primitives. Both algorithms are highly optimized to support interactive rendering of volumetric data sets and are therefore major contributions towards a flexible and interactive volume ray tracing framework