Ray tracing techniques for computer games and isosurface visualization

Abstract

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.