title: Hybrid and Non-Hybrid rendering for diffuse global illumination in Real-Time applications
title: Αλγόριθμοι Φωτισμού σε Πραγματικό Χρόνο αξιοποιώντας Τεχνικές Υβριδικής και μη Υβριδικής Απεικόνισης
Creators: name: Νικολαϊδης Δημητριος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2025

description: In the past decades, advances in real-time graphics have pushed the limit of realistic rendering. One of the most critical elements in achieving visual realism is lighting, specifically global illumination (GI). When correctly modeled, indirect light in a scene significantly contributes to enhancing rendering fidelity and realism. Ray and path tracing techniques are a standard way for accurately modeling light transport and in producing lighting effects. Recent GPU architectures have introduced hardware-accelerated ray-tracing features, making ray-tracing in real-time applications viable. This has given rise to the popularity of a new class of rendering approach known as hybrid rendering. These techniques combine traditional rasterization and hardware-accelerated ray tracing to balance speed and realism.
In this thesis, we aim to study hybrid and non-hybrid rendering in global illumination. This was achieved by first implementing a hybrid renderer using the Vulkan API. The renderer leverages the Dynamic Diffuse Global Illumination (DDGI) technique to generate global illumination. This hybrid technique discretizes a scene with robes and collects radiance and visibility using ray tracing and rasterization. In this way, it can handle complex scenes and lighting changes while maintaining interactive performance. Deferred rendering, variance shadow mapping, and screen space ambient occlusion (SSAO) were implemented for this renderer to produce effects like shadows, ambient occlusion, and direct illumination.
A path-traced non-hybrid renderer was also implemented to provide a baseline for evaluation using the same scene representation and the Vulkan API. This allows for a direct visual comparison of the hybrid renderer’s results. We compared the performance and visual fidelity of the hybrid renderer with the path tracer by analyzing visual results and metrics such as frame time (ms) and structural similarity index (SSIM). Our analysis of these results shows that this implementation of a hybrid renderer can produce global illumination in real-time. These results are comparable to those of the path tracers, while producing minimal visual artifacts. The findings underscore this hybrid renderer’s potential to generate global illumination in interactive applications and to produce photorealistic results.
description: Τα γραφικά και οι τεχνικές απεικόνισης σε πραγματικό χρόνο έχουν εξελιχθεί πιέζοντας τα όρια της ρεαλιστικής απεικόνισης. Ένα από τα πιο κρίσιμα στοιχεία για την επίτευξη ρεαλιστικών εικόνων είναι ο φωτισμός και συγκεκριμένα ο διάχυτος φωτισμός. Η προσομοίωση του διάχυτου φωτισμού μίας σκηνής με ακρίβεια συμβάλλει σημαντικά στην ποιότητα της απεικόνισης της και προσδίδει φωτορεαλισμό στο τελικό αποτέλεσμα. Η χρήση τεχνικών ray και path tracing συνηθίζεται για την ακριβή προσομοίωση του φωτός και επίτευξη εφέ φωτισμού. Οι εξελίξεις στην αρχιτεκτονική καρτών γραφικών έχουν εισάγει την δυνατότητα επιτάχυνσης ray-tracing και την χρήση της σε εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Από τις εξελίξεις αυτές προέκυψε μια καινούργια κατηγορία τεχνικών απεικόνισης που αποκαλούνται υβριδικές τεχνικές. Αυτές οι τεχνικές συνδυάζουν κλασσικές τεχνικές resterization και ray-tracing για την ταχεία απεικόνιση μιας σκηνής με υψηλά επίπεδα ρεαλισμού.
Μέσω αυτής της διπλωματικής σκοπό έχουμε να μελετήσουμε την υβριδική και μη-υβριδική απεικόνιση για παραγωγή ολικού φωτισμού. Αυτό επιτεύχθηκε με την υλοποίηση ενός υβριδικού renderer με την χρήση του Vulkan API. Για την απόδοση του διάχυτου φωτισμού της σκηνής έγινε χρήση της τεχνικής Dynamic Diffuse Global Illumination (DDGI). Αυτή είναι μια τεχνική που διαιρεί τον χώρο σε τμήματα και χρησιμοποιεί σφαίρες σε κάθε τμήμα του χώρου για την συλλογή ορατής ακτινοβολίας και την ορατότητα σημείων στον χώρο. Με αυτό τον τρόπο μπορεί να παράγει διάχυτο φωτισμό σε περίπλοκες σκηνές αντιδρώντας σε αλλαγές και διατηρώντας υψηλές επιδόσεις. Παράλληλα με αυτή την τεχνική υλοποιήθηκαν τεχνικές όπως deferred rendering, variance shadow mapping, και screen space ambient occlusion (SSAO) για την απόδοση σκιών, και σκίαση από τον περιβάλλοντα χώρο.
Για την ορθή αξιολόγηση των αποτελεσμάτων του υβριδικού renderer υλοποιήθηκε ένας path-tracer, μη-υβριδικός renderer αξιοποιώντας την ίδια αναπαράσταση για την σκηνή και το Vulkan API. Αυτό μας επιτρέπει να συγκρίνουμε απευθείας τα οπτικά αποτελέσματα των δύο renderer. Συγκρίνουμε τα αποτελέσματα, τόσο τα οπτικά όσο και τον χρόνο εκτέλεσης, με εκείνα του path-tracer και αναλύουμε μετρικές όπως τον χρόνο ανά frame, και τον δείκτη structured similarity index (SSIM). Η ανάλυση αυτών των αποτελεσμάτων δείχνει ότι αυτή η υλοποίηση ενός υβριδικού renderer παράγει διάχυτο φωτισμό σε πραγματικό χρόνο, τα οπτικά αποτελέσματα του οποίου είναι συγκρίσιμα αυτά του path tracer, έχοντας ταυτόχρονα περιορισμένα οπτικά λάθη. Τα αποτελέσματα μας δείχνουν πως αυτή η υλοποίηση υβριδικού renderer έχει την δυνατότητα να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις των εφαρμογών πραγματικού χρόνου στην παραγωγή διάχυτου φωτισμού.