Algorithms and data structures for interactive ray tracing on commodity hardware

Rendering methods based on ray tracing provide high image realism, but have been historically regarded as offline only. This has changed in the past decade, due to significant advances in the construction and traversal performance of acceleration structures and the efficient use of data-parallel processing. Today, all major graphics companies offer real-time ray tracing solutions. The following work has contributed to this development with some key insights. We first address the limited support of dynamic scenes in previous work, by proposing two new parallel-friendly construction algorithms for KD-trees and BVHs. By approximating the cost function, we accelerate construction by up to an order of magnitude (especially for BVHs), at the expense of only tiny degradation to traversal performance. For the static portions of the scene, we also address the topic of creating the “perfect” acceleration structure. We develop a polynomial time non-greedy BVH construction algorithm. We then modify it to produce a new type of acceleration structure that inherits both the high performance of KD-trees and the small size of BVHs. Finally, we focus on bringing real-time ray tracing to commodity desktop computers. We develop several new KD-tree and BVH traversal algorithms specifically tailored for the GPU. With them, we show for the first time that GPU ray tracing is indeed feasible, and it can outperform CPU ray tracing by almost an order of magnitude, even on large CAD models.Ray-Tracing basierte Bildsynthese-Verfahren bieten einen hohen Grad an Realismus, wurden allerdings in der Vergangenheit ausschließlich als nicht echtzeitfähig betrachtet. Dies hat sich innerhalb des letzten Jahrzehnts geändert durch signifikante Fortschritte sowohl im Bereich der Erstellung und Traversierung von Beschleunigungs-Strukturen, als auch im effizienten Einsatz paralleler Berechnung. Heute bieten alle großen Grafik-Firmen Echtzeit-Ray-Tracing Lösungen an. Die vorliegende Dissertation behandelt Beträge zu dieser Entwicklung in mehreren Kernaspekten. Der erste Teil beschäftigt sich mit der eingeschränkten Unterstützung von dynamischen Szenen in bisherigen Verfahren. Hierbei behandeln wir zwei zur Parallelisierung geeignete Algorithmen zur Erstellung von KD-Bäumen und Bounding-Volume-Hierarchien. Durch Approximation von Kosten-Funktionen kann eine Verbesserung der Konstruktionszeit von bis zu einer Größenordnung erreicht werden (speziell für BVH-Strukturen), bei nur geringem Verlust von Traversierungs-Effizienz. Mit Blick auf den statischen Teil einer Szene beschäftigen wir uns mit der Erstellung “perfekter” Beschleunigungs-Strukturen. Wir entwickeln einen Algorithmus zur BVH-Erstellung, der ein globales Optimum in polynomialer Zeit liefert. Dies führt zu einer neuartigen Beschleunigungs-Struktur, welche sowohl die hohe Leistung von KD-Bäumen, als auch den geringen Platzbedarf von BVH-Strukturen in sich vereinigt. Abschließend betrachten wir Echtzeit-Ray-Tracing auf Desktop-Computern. Wir entwickeln neuartige KD-Baum- und BVH-Traversierungs-Algorithmen, die speziell auf den Einsatz von Grafikprozessoren zugeschnitten sind. Wir zeigen damit zum ersten Mal, dass GPU-Ray-Tracing nicht nur praktikabel ist, sondern auch mehr als eine Größenordnung effizienter sein kann als CPU basierte Ray-Tracing-Verfahren, selbst bei der Darstellung großer CAD Modelle

Generating renderers

Most production renderers developed for the film industry are huge pieces of software that are able to render extremely complex scenes. Unfortunately, they are implemented using the currently available programming models that are not well suited to modern computing hardware like CPUs with vector units or GPUs. Thus, they have to deal with the added complexity of expressing parallelism and using hardware features in those models. Since compilers cannot alone optimize and generate efficient programs for any type of hardware, because of the large optimization spaces and the complexity of the underlying compiler problems, programmers have to rely on compiler-specific hardware intrinsics or write non-portable code. The consequence of these limitations is that programmers resort to writing the same code twice when they need to port their algorithm on a different architecture, and that the code itself becomes difficult to maintain, as algorithmic details are buried under hardware details. Thankfully, there are solutions to this problem, taking the form of Domain-Specific Lan- guages. As their name suggests, these languages are tailored for one domain, and compilers can therefore use domain-specific knowledge to optimize algorithms and choose the best execution policy for a given target hardware. In this thesis, we opt for another way of encoding domain- specific knowledge: We implement a generic, high-level, and declarative rendering and traversal library in a functional language, and later refine it for a target machine by providing partial evaluation annotations. The partial evaluator then specializes the entire renderer according to the available knowledge of the scene: Shaders are specialized when their inputs are known, and in general, all redundant computations are eliminated. Our results show that the generated renderers are faster and more portable than renderers written with state-of-the-art competing libraries, and that in comparison, our rendering library requires less implementation effort.Die meisten in der Filmindustrie zum Einsatz kommenden Renderer sind riesige Softwaresysteme, die in der Lage sind, extrem aufwendige Szenen zu rendern. Leider sind diese mit den aktuell verfügbaren Programmiermodellen implementiert, welche nicht gut geeignet sind für moderne Rechenhardware wie CPUs mit Vektoreinheiten oder GPUs. Deshalb müssen Entwickler sich mit der zusätzlichen Komplexität auseinandersetzen, Parallelismus und Hardwarefunktionen in diesen Programmiermodellen auszudrücken. Da Compiler nicht selbständig optimieren und effiziente Programme für jeglichen Typ Hardware generieren können, wegen des großen Optimierungsraumes und der Komplexität des unterliegenden Kompilierungsproblems, müssen Programmierer auf Compiler-spezifische Hardware-“Intrinsics” zurückgreifen, oder nicht portierbaren Code schreiben. Die Konsequenzen dieser Limitierungen sind, dass Programmierer darauf zurückgreifen den gleichen Code zweimal zu schreiben, wenn sie ihre Algorithmen für eine andere Architektur portieren müssen, und dass der Code selbst schwer zu warten wird, da algorithmische Details unter Hardwaredetails verloren gehen. Glücklicherweise gibt es Lösungen für dieses Problem, in der Form von DSLs. Diese Sprachen sind maßgeschneidert für eine Domäne und Compiler können deshalb Domänenspezifisches Wissen nutzen, um Algorithmen zu optimieren und die beste Ausführungsstrategie für eine gegebene Zielhardware zu wählen. In dieser Dissertation wählen wir einen anderen Weg, Domänenspezifisches Wissen zu enkodieren: Wir implementieren eine generische, high-level und deklarative Rendering- und Traversierungsbibliothek in einer funktionalen Programmiersprache, und verfeinern sie später für eine Zielmaschine durch Bereitstellung von Annotationen für die partielle Auswertung. Der “Partial Evaluator” spezialisiert dann den kompletten Renderer, basierend auf dem verfügbaren Wissen über die Szene: Shader werden spezialisiert, wenn ihre Eingaben bekannt sind, und generell werden alle redundanten Berechnungen eliminiert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die generierten Renderer schneller und portierbarer sind, als Renderer geschrieben mit den aktuellen Techniken konkurrierender Bibliotheken und dass, im Vergleich, unsere Rendering Bibliothek weniger Implementierungsaufwand erfordert.This work was supported by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) as part of the Metacca and ProThOS projects as well as by the Intel Visual Computing Institute (IVCI) and Cluster of Excellence on Multimodal Computing and Interaction (MMCI) at Saarland University. Parts of it were also co-funded by the European Union(EU), as part of the Dreamspace project

Hardware Accelerators for Animated Ray Tracing

Future graphics processors are likely to incorporate hardware accelerators for real-time ray tracing, in order to render increasingly complex lighting effects in interactive applications. However, ray tracing poses difficulties when drawing scenes with dynamic content, such as animated characters and objects. In dynamic scenes, the spatial datastructures used to accelerate ray tracing are invalidated on each animation frame, and need to be rapidly updated. Tree update is a complex subtask in its own right, and becomes highly expensive in complex scenes. Both ray tracing and tree update are highly memory-intensive tasks, and rendering systems are increasingly bandwidth-limited, so research on accelerator hardware has focused on architectural techniques to optimize away off-chip memory traffic. Dynamic scene support is further complicated by the recent introduction of compressed trees, which use low-precision numbers for storage and computation. Such compression reduces both the arithmetic and memory bandwidth cost of ray tracing, but adds to the complexity of tree update.This thesis proposes methods to cope with dynamic scenes in hardware-accelerated ray tracing, with focus on reducing traffic to external memory. Firstly, a hardware architecture is designed for linear bounding volume hierarchy construction, an algorithm which is a basic building block in most state-of-the-art software tree builders. The algorithm is rearranged into a streaming form which reduces traffic to one-third of software implementations of the same algorithm. Secondly, an algorithm is proposed for compressing bounding volume hierarchies in a streaming manner as they are output from a hardware builder, instead of performing compression as a postprocessing pass. As a result, with the proposed method, compression reduces the overall cost of tree update rather than increasing it. The last main contribution of this thesis is an evaluation of shallow bounding volume hierarchies, common in software ray tracing, for use in hardware pipelines. These are found to be more energy-efficient than binary hierarchies. The results in this thesis both confirm that dynamic scene support may become a bottleneck in real time ray tracing, and add to the state of the art on tree update in terms of energy-efficiency, as well as the complexity of scenes that can be handled in real time on resource-constrained platforms

Ray tracing of dynamic scenes

In the last decade ray tracing performance reached interactive frame rates for nontrivial scenes, which roused the desire to also ray trace dynamic scenes. Changing the geometry of a scene, however, invalidates the precomputed auxiliary data-structures needed to accelerate ray tracing. In this thesis we review and discuss several approaches to deal with the challenge of ray tracing dynamic scenes. In particular we present the motion decomposition approach that avoids the invalidation of acceleration structures due to changing geometry. To this end, the animated scene is analyzed in a preprocessing step to split it into coherently moving parts. Because the relative movement of the primitives within each part is small it can be handled by special, pre-built kd-trees. Motion decomposition enables ray tracing of predefined animations and skinned meshed at interactive frame rates. Our second main contribution is the streamed binning approach. It approximates the evaluation of the cost function that governs the construction of optimized kd-trees and BVHs. As a result, construction speed especially for BVHs can be increased by one order of magnitude while still maintaining their high quality for ray tracing.Im letzten Jahrzehnt wurden interaktive Bildwiederholraten bei dem Raytracen von nicht trivialen Szenen erreicht. Dies hat den Wunsch geweckt, auch sich verändernde Szenen mit Raytracing darstellen zu können. Allerdings werden die vorberechneten Datenstrukturen, welche für die Beschleunigung von Raytracing gebraucht werden, durch Veränderungen an der Geometrie einer Szene unbrauchbar gemacht. In dieser Dissertation untersuchen und diskutieren wir mehrere Lösungsansätze für das Problem der Darstellung von sich verändernden Szenen mittels Raytracings. Insbesondere stellen wir den Motion Decomposition Ansatz vor, welcher die bisher nötige Neuberechnung der Beschleunigungsdatenstrukturen aufgrund von Geometrieänderungen zu einem großen Teil vermeidet. Dazu wird in einem Vorberechnungsschritt die animierte Szene untersucht und diese in sich ähnlich bewegende Teile zerlegt. Da dadurch die relative Bewegung der Primitiven der Teilszenen zueinander sehr klein ist kann sie durch spezielle, vorberechnete kd-Bäume toleriert werden. Motion Decomposition ermöglicht das Raytracen von vordefinierte Animationen und Skinned Meshes mit interaktiven Bildwiederholraten. Unser zweiten Hauptbeitrag ist der Streamed Binning Ansatz. Dabei wird die Kostenfunktion, welche die Konstruktion von für Raytracing optimierten kd-Bäumen und BVHs steuert, näherungsweise ausgewertet, wobei deren Qualität kaum beeinträchtigt wird. Im Ergebnis wird insbesondere die Zeit für den Aufbau von BVHs um eine Größenordnung reduziert

Ray tracing of dynamic scenes

In the last decade ray tracing performance reached interactive frame rates for nontrivial scenes, which roused the desire to also ray trace dynamic scenes. Changing the geometry of a scene, however, invalidates the precomputed auxiliary data-structures needed to accelerate ray tracing. In this thesis we review and discuss several approaches to deal with the challenge of ray tracing dynamic scenes. In particular we present the motion decomposition approach that avoids the invalidation of acceleration structures due to changing geometry. To this end, the animated scene is analyzed in a preprocessing step to split it into coherently moving parts. Because the relative movement of the primitives within each part is small it can be handled by special, pre-built kd-trees. Motion decomposition enables ray tracing of predefined animations and skinned meshed at interactive frame rates. Our second main contribution is the streamed binning approach. It approximates the evaluation of the cost function that governs the construction of optimized kd-trees and BVHs. As a result, construction speed especially for BVHs can be increased by one order of magnitude while still maintaining their high quality for ray tracing.Im letzten Jahrzehnt wurden interaktive Bildwiederholraten bei dem Raytracen von nicht trivialen Szenen erreicht. Dies hat den Wunsch geweckt, auch sich verändernde Szenen mit Raytracing darstellen zu können. Allerdings werden die vorberechneten Datenstrukturen, welche für die Beschleunigung von Raytracing gebraucht werden, durch Veränderungen an der Geometrie einer Szene unbrauchbar gemacht. In dieser Dissertation untersuchen und diskutieren wir mehrere Lösungsansätze für das Problem der Darstellung von sich verändernden Szenen mittels Raytracings. Insbesondere stellen wir den Motion Decomposition Ansatz vor, welcher die bisher nötige Neuberechnung der Beschleunigungsdatenstrukturen aufgrund von Geometrieänderungen zu einem großen Teil vermeidet. Dazu wird in einem Vorberechnungsschritt die animierte Szene untersucht und diese in sich ähnlich bewegende Teile zerlegt. Da dadurch die relative Bewegung der Primitiven der Teilszenen zueinander sehr klein ist kann sie durch spezielle, vorberechnete kd-Bäume toleriert werden. Motion Decomposition ermöglicht das Raytracen von vordefinierte Animationen und Skinned Meshes mit interaktiven Bildwiederholraten. Unser zweiten Hauptbeitrag ist der Streamed Binning Ansatz. Dabei wird die Kostenfunktion, welche die Konstruktion von für Raytracing optimierten kd-Bäumen und BVHs steuert, näherungsweise ausgewertet, wobei deren Qualität kaum beeinträchtigt wird. Im Ergebnis wird insbesondere die Zeit für den Aufbau von BVHs um eine Größenordnung reduziert

Visualization and inspection of the geometry of particle packings

Gegenstand dieser Dissertation ist die Entwicklung von effizienten Verfahren zur Visualisierung und Inspektion der Geometrie von Partikelmischungen. Um das Verhalten der Simulation für die Partikelmischung besser zu verstehen und zu überwachen, sollten nicht nur die Partikel selbst, sondern auch spezielle von den Partikeln gebildete Bereiche, die den Simulationsfortschritt und die räumliche Verteilung von Hotspots anzeigen können, visualisiert werden können. Dies sollte auch bei großen Packungen mit Millionen von Partikeln zumindest mit einer interaktiven Darstellungsgeschwindigkeit möglich sein. . Da die Simulation auf der Grafikkarte (GPU) durchgeführt wird, sollten die Visualisierungstechniken die Daten des GPU-Speichers vollständig nutzen. Um die Qualität von trockenen Partikelmischungen wie Beton zu verbessern, wurde der Korngrößenverteilung große Aufmerksamkeit gewidmet, die die Raumfüllungsrate hauptsächlich beeinflusst und daher zwei der wichtigsten Eigenschaften des Betons bestimmt: die strukturelle Robustheit und die Haltbarkeit. Anhand der Korngrößenverteilung kann die Raumfüllungsrate durch Computersimulationen bestimmt werden, die analytischen Ansätzen in der Praxis wegen der breiten Größenverteilung der Partikel oft überlegen sind. Eine der weit verbreiteten Simulationsmethoden ist das Collective Rearrangement, bei dem die Partikel zunächst an zufälligen Positionen innerhalb eines Behälters platziert werden. Später werden Überlappungen zwischen Partikeln aufgelöst, indem überlappende Partikel voneinander weggedrückt werden. Durch geschickte Anpassung der Behältergröße während der Simulation, kann die Collective Rearrangement-Methode am Ende eine ziemlich dichte Partikelpackung generieren. Es ist jedoch sehr schwierig, den gesamten Simulationsprozess ohne ein interaktives Visualisierungstool zu optimieren oder dort Fehler zu finden. Ausgehend von der etablierten rasterisierungsbasierten Methode zum Darstellen einer großen Menge von Kugeln, bietet diese Dissertation zunächst schnelle und pixelgenaue Methoden zur neuartigen Visualisierung der Überlappungen und Freiräume zwischen kugelförmigen Partikeln innerhalb eines Behälters.. Die auf Rasterisierung basierenden Verfahren funktionieren gut für kleinere Partikelpackungen bis ca. eine Million Kugeln. Bei größeren Packungen entstehen Probleme durch die lineare Laufzeit und den Speicherverbrauch. Zur Lösung dieses Problems werden neue Methoden mit Hilfe von Raytracing zusammen mit zwei neuen Arten von Bounding-Volume-Hierarchien (BVHs) bereitgestellt. Diese können den Raytracing-Prozess deutlich beschleunigen --- die erste kann die vorhandene Datenstruktur für die Simulation wiederverwenden und die zweite ist speichereffizienter. Beide BVHs nutzen die Idee des Loose Octree und sind die ersten ihrer Art, die die Größe von Primitiven für interaktives Raytracing mit häufig aktualisierten Beschleunigungsdatenstrukturen berücksichtigen. Darüber hinaus können die Visualisierungstechniken in dieser Dissertation auch angepasst werden, um Eigenschaften wie das Volumen bestimmter Bereiche zu berechnen. All diese Visualisierungstechniken werden dann auf den Fall nicht-sphärischer Partikel erweitert, bei denen ein nicht-sphärisches Partikel durch ein starres System von Kugeln angenähert wird, um die vorhandene kugelbasierte Simulation wiederverwenden zu können. Dazu wird auch eine neue GPU-basierte Methode zum effizienten Füllen eines nicht-kugelförmigen Partikels mit polydispersen überlappenden Kugeln vorgestellt, so dass ein Partikel mit weniger Kugeln gefüllt werden kann, ohne die Raumfüllungsrate zu beeinträchtigen. Dies erleichtert sowohl die Simulation als auch die Visualisierung. Basierend auf den Arbeiten in dieser Dissertation können ausgefeiltere Algorithmen entwickelt werden, um großskalige nicht-sphärische Partikelmischungen effizienter zu visualisieren. Weiterhin kann in Zukunft Hardware-Raytracing neuerer Grafikkarten anstelle des in dieser Dissertation eingesetzten Software-Raytracing verwendet werden. Die neuen Techniken können auch als Grundlage für die interaktive Visualisierung anderer partikelbasierter Simulationen verwendet werden, bei denen spezielle Bereiche wie Freiräume oder Überlappungen zwischen Partikeln relevant sind.The aim of this dissertation is to find efficient techniques for visualizing and inspecting the geometry of particle packings. Simulations of such packings are used e.g. in material sciences to predict properties of granular materials. To better understand and supervise the behavior of these simulations, not only the particles themselves but also special areas formed by the particles that can show the progress of the simulation and spatial distribution of hot spots, should be visualized. This should be possible with a frame rate that allows interaction even for large scale packings with millions of particles. Moreover, given the simulation is conducted in the GPU, the visualization techniques should take full use of the data in the GPU memory. To improve the performance of granular materials like concrete, considerable attention has been paid to the particle size distribution, which is the main determinant for the space filling rate and therefore affects two of the most important properties of the concrete: the structural robustness and the durability. Given the particle size distribution, the space filling rate can be determined by computer simulations, which are often superior to analytical approaches due to irregularities of particles and the wide range of size distribution in practice. One of the widely adopted simulation methods is the collective rearrangement, for which particles are first placed at random positions inside a container, later overlaps between particles will be resolved by letting overlapped particles push away from each other to fill empty space in the container. By cleverly adjusting the size of the container according to the process of the simulation, the collective rearrangement method could get a pretty dense particle packing in the end. However, it is very hard to fine-tune or debug the whole simulation process without an interactive visualization tool. Starting from the well-established rasterization-based method to render spheres, this dissertation first provides new fast and pixel-accurate methods to visualize the overlaps and free spaces between spherical particles inside a container. The rasterization-based techniques perform well for small scale particle packings but deteriorate for large scale packings due to the large memory requirements that are hard to be approximated correctly in advance. To address this problem, new methods based on ray tracing are provided along with two new kinds of bounding volume hierarchies (BVHs) to accelerate the ray tracing process --- the first one can reuse the existing data structure for simulation and the second one is more memory efficient. Both BVHs utilize the idea of loose octree and are the first of their kind to consider the size of primitives for interactive ray tracing with frequently updated acceleration structures. Moreover, the visualization techniques provided in this dissertation can also be adjusted to calculate properties such as volumes of the specific areas. All these visualization techniques are then extended to non-spherical particles, where a non-spherical particle is approximated by a rigid system of spheres to reuse the existing simulation. To this end a new GPU-based method is presented to fill a non-spherical particle with polydisperse possibly overlapping spheres efficiently, so that a particle can be filled with fewer spheres without sacrificing the space filling rate. This eases both simulation and visualization. Based on approaches presented in this dissertation, more sophisticated algorithms can be developed to visualize large scale non-spherical particle mixtures more efficiently. Besides, one can try to exploit the hardware ray tracing of more recent graphic cards instead of maintaining the software ray tracing as in this dissertation. The new techniques can also become the basis for interactively visualizing other particle-based simulations, where special areas such as free space or overlaps between particles are of interest