Efficient Illumination Algorithms for Global Illumination In Interactive and Real-Time Rendering
Authors: Βαρδής Κωνσταντίνος 
Published: September 2021

H ψηφιακή σύνθεση φωτορεαλιστικών εικόνων θεωρείται ένα από τα πιο συναρπαστικά πεδία στον τομέα των γραφικών του υπολογιστή. Κύριος στόχος της είναι η παραγωγή εικόνων που προσομοιώνουν όσο το δυνατόν πιο πειστικά τα μοντελοποιημένα αντικείμενα, όπως αυτά απεικονίζονται στον πραγματικό κόσμο. Η προσπάθεια βελτίωσης του οπτικού ρεαλισμού έχει κατευθύνει ένα μεγάλο κομμάτι της έρευνας στην διερεύνηση των αλληλεπιδράσεων του φωτός και της ύλης, με αποτέλεσμα την θεμελίωση ενός εμπεριστατωμένου μαθηματικού πλαισίου καθώς και την εντυπωσιακή ποιότητα των παραγόμενων εικόνων από τις σημερινές εφαρμογές σύνθεσης εικόνας σε γραφικά κινηματογραφικής ποιότητας. Ενώ οι θεωρητικές έννοιες της μετάδοσης του φωτός έχουν κατανοηθεί σε μεγάλο βαθμό και εφαρμόζονται στα γραφικά μη πραγματικού χρόνου, η σωστή αναπαραγωγή των διαφόρων φυσικών φαινομένων σε διαδραστικά και πραγματικού χρόνου περιβάλλοντα είναι ένα εξαιρετικά δύσκολο πρόβλημα, λόγω των χρονικών περιορισμών που επιβάλλονται στις συγκεκριμένες διεργασίες. Η ανάγκη για αλγορίθμους ικανούς να αποδώσουν φωτορεαλιστικές εικόνες σε δυναμικά περιβάλλοντα είναι ακόμα πιο απαραίτητη στην σημερινή εποχή όπου το μέγεθος καθώς και η πολυπλοκότητα των ψηφιακών κόσμων, οι οποίοι μπορούν να μεταβληθούν δραστικά σε κάθε καρέ, έχει αυξηθεί δραματικά. Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να διερευνήσει τέτοιες μεθόδους που εμπίπτουν στον τομέα της φωτορεαλιστικής σύνθεσης εικόνας. Οι συνεισφορές μας επικεντρώνονται αποκλειστικά στην ανάπτυξη αποτελεσματικών αλγορίθμων ολικού φωτισμού σε γραφικά πραγματικού χρόνου καθώς και διαδραστικά, λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς που προκύπτουν σε δυναμικά περιβάλλοντα. Όσον αφορά την πρώτη κατηγορία (γραφικά πραγματικού χρόνου), η πλειονότητα των αλγορίθμων βασίζεται στη μέθοδο της σχεδίασης (rasterization), όπου η υποστήριξη δυναμικού περιεχομένου παρέχεται εγγενώς. Όμως, τα αυστηρά χρονικά όρια των εφαρμογών αυτών θέτουν και σημαντικούς περιορισμούς στην ακρίβεια και λειτουργία των υπολογιστικά απαιτητικών αλγορίθμων ολικού φωτισμού, επηρεάζοντας σοβαρά την ποιότητα των τελικών εικόνων. Οι πιο σημαντικές απλοποιήσεις επιβάλλονται από πολύ νωρίς; συνήθως, η γεωμετρική πληροφορία της σκηνής αντικαθίσταται είτε από (i) μία μερική και εξαρτώμενη από τη θέση του παρατηρητή, διακριτοποιημένη αναπαράσταση της σκηνής, ή από (ii) μία ολική μεν, αλλά αδρή, κανονική υποδιαίρεση της σκηνής, στις τεχνικές που δουλεύουν στον χώρο της εικόνας και ογκομετρικές μεθόδους, αντίστοιχα. Συμβάλλουμε στον τομέα αυτό προτείνοντας δύο νέες τεχνικές, οι οποίες επικεντρώνονται στη βελτίωση της οπτικής αστάθειας που προκύπτει από τις προσεγγίσεις που γίνονται στους αλγορίθμους αυτούς, καθώς και στην αποτελεσματικότητα των δομών που χρησιμοποιούνται. Η πρώτη μας μέθοδος, η οποία εφαρμόζεται στις κλασσικές μεθόδους εικόνας για παρεμπόδιση του έμμεσου φωτισμού, επικεντρώνεται στην γενική αντιμετώπιση του προβλήματος των οπτικών ατελειών που προκύπτουν από την εξάρτηση στην οπτική γωνία του παρατηρητή. Αυτό επιτυγχάνεται με την αξιοποίηση γεωμετρικής πληροφορίας από άλλες οπτικές γωνίες, χωρίς να υπάρχει περιορισμός στον αριθμό ή την τοποθεσία αυτών που είναι ήδη διαθέσιμες σε μία μηχανή γραφικών, όπως είναι οι εικόνες για την παραγωγή σκιών. Η δεύτερη μας μέθοδος ασχολείται με την βελτίωση της αποτελεσματικότητας της δομής καθώς και την οπτική σταθερότητα των ογκομετρικών μεθόδων ολικού φωτισμού, εισάγοντας την ιδέα της υποδειγματοληψίας της χρωματικότητας για την κατευθυντική συμπίεση της λαμπρότητας στο σφαιρικό πεδίο, ένα βελτιστοποιημένο σύστημα τοποθέτησης σημείων λαμπρότητας καθώς και μια προσεγγιστική τεχνική απόδοσης έμμεσων σκιάσεων ανεξαρτήτων από την εκάστοτε όψη. Στην κατηγορία των διαδραστικών γραφικών, η υποστήριξη δυναμικού περιεχόμενου από την ερευνητική κοινότητα έχει επικεντρωθεί σε μεγάλο βαθμό στη βελτίωση της αποτελεσματικότητας αλγορίθμων βασιζόμενοι στην παρακολούθηση ακτινών (ray tracing), το οποίο χρησιμοποιείται σχεδόν αποκλειστικά σε γραφικά μη πραγματικού χρόνου. Ωστόσο, το υπολογιστικό κόστος κατασκευής των απαιτούμενων επιταχυντικών δομών εξακολουθεί να περιορίζει αυτές τις μεθόδους σε εν μέρει στατικό περιεχόμενο. Εναλλακτικά, πρόσφατες ερευνητικές προσπάθειες έχουν προσπαθήσει να εκμεταλλευτούν τη μέθοδο της σχεδίασης γραφικών, το οποίο υποστηρίζει εγγενώς δυναμικά περιβάλλοντα, για να επιτύχουν ποιότητα ταυτόσημη με την παρακολούθηση ακτινών. Παρόλα αυτά, οι υπάρχουσες λύσεις δεν είναι ακόμη σε θέση να υποστηρίξουν πλήρως έναν αλγόριθμο ολικού φωτισμού χωρίς να θέτουν περιορισμούς όσον αφορά είτε τη γεωμετρική αναπαράσταση ή τις πολλαπλές αλληλεπιδράσεις μεταξύ του φωτός και των διαφόρων οπτικών μέσων. Στην κατηγορία των διαδραστικών γραφικών παρουσιάζουμε δύο μεθόδους που διερευνούν τη δυνατότητα του σύγχρονου μοντέλου σχεδίασης γραφικών να παρέχει μια εναλλακτική υπολογιστικά λύση στα ακριβά στάδια κατασκευής των επιταχυντικών δομών. Οι προτεινόμενες μέθοδοι μπορούν να αποδώσουν υψηλής ποιότητας διαδραστική παρακολούθηση ακτινών σε αυθαίρετης πολυπλοκότητας δυναμικά περιβάλλοντα, αφαιρώντας έτσι τους περιορισμούς των προηγούμενων μεθόδων που βασίζονται στη σχεδίαση γραφικών. Η πρώτη μας μέθοδος αξιοποιεί τεχνικές πολυ-επιπέδων για να αποθηκεύσει αποτελεσματικά και για πρώτη φορά, μία λεπτομερή αναπαράσταση όλου του περιβάλλοντος στην οποία ένας αλγόριθμος ολικού φωτισμού - όπως η παρακολούθηση μονοπατιού (path tracing) - μπορεί να υποστηριχθεί. Η παρακολούθηση ακτινών επιτυγχάνεται αποτελεσματικά αξιοποιώντας γρήγορη μεταπήδηση χώρων στο χώρο της εικόνας και προσεγγιστικούς ελέγχους τομών μεταξύ των ακτινών και των παραγόμενων τεμαχίων (fragments). Η προτεινόμενη λύση βελτιώνει δραματικά την ποιότητα αλλά και την ταχύτητα αλγορίθμων που βασίζονται στην παρακολούθηση ακτινών στο χώρο της εικόνας ενώ παράλληλα παρέχει μικρούς χρόνους κατασκευής, καθώς και κλιμακωτή απόδοση διάσχισης ακτινών. Ωστόσο, η συγκεκριμένη μέθοδος προσφέρει προσεγγιστική ποιότητα εικόνας, συγκριτικά με τις παραδοσιακές μεθόδους παρακολούθησης ακτινών, και μπορεί να έχει υψηλό κόστος μνήμης λόγω της αποθήκευσης δεδομένων για την φωτοσκίαση των τεμαχίων για όλη την σκηνή. Η δεύτερη μέθοδός μας, η οποία ολοκληρώνει την έρευνά μας, μεταφέρει την αναβαλλόμενη λογική της αποθήκευσης γεωμετρικής πληροφορίας από τους αλγορίθμους παρακολούθησης ακτινών στο μοντέλο σχεδίασης γραφικών. Με αυτόν τον τρόπο είμαστε σε θέση να δημιουργήσουμε μία δομή που βασίζεται σε γεωμετρία αντί για τεμάχια και να υποστηρίξουμε τρεις, αντικρουόμενους σε προηγούμενες ερευνητικές δουλειές, στόχους: (i) δυναμικά περιβάλλοντα με γρήγορους χρόνους κατασκευής, (ii) ποιότητα ταυτόσημη με τους αλγόριθμους παρακολούθησης ακτινών με ελέγχους τομών βασισμένους σε πολύγωνα και (iii) μειωμένες απαιτήσεις μνήμης. Επιπλέον, η προτεινόμενη μέθοδος βελτιώνει και γενικεύει περαιτέρω τον τομέα της παρακολούθησης ακτινών στο χώρο της εικόνας με την αξιοποίηση διαφόρων βελτιστοποιήσεων μεταπηδήσεων χώρου ώστε να υποστηρίξει αποτελεσματικά αναλυτικούς ελέγχους τομών μεταξύ ακτινών και πολυγώνων.