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Björn Schmidt

• Raytracing ist ein bekanntes Verfahren zur Erzeugung fotorealistischer Bilder. Globale Beleuchtungseffekte einer 3D-Szene werden durch das Raytracing-Verfahren physikalisch korrekt dargestellt. Erst aktuelle Forschungsarbeiten ermöglichen es, das sehr rechenintensive Verfahren bei interaktiven Bildraten in Echtzeit zu berechnen. Komplexe 3D-Szenen, wie sie beispielsweise in 3D-Spielen oder Simulationen vorkommen, können durch einen Szenengraphen modelliert und animiert werden. Damit die Rendering-Ergebnisse eines Szenengraphen näher an einem realen Bild liegen, ist es erforderlich das Raytracing-Verfahren in einen Szenengraphen einzugliedern. In dieser Arbeit werden die Möglichkeiten zur Integration eines Echtzeit-Raytracers in eine Szenengraph-API untersucht. Ziel dieser Diplomarbeit ist die Darstellung dynamischer Szenen bei interaktiven Bildraten unter Verwendung des Raytracing-Verfahrens auf einem herkömmlichen PC. Zunächst müssen bestehende Open Source Szenengraph-APIs und aktuelle Echtzeit-Raytracer auf ihre Eignung zur Integration hin überprüft werden. Bei der Verarbeitung dynamischer Szenen spielt die verwendete Beschleunigungsdatenstruktur des Raytracers eine entscheidende Rolle. Da eine komplette Neuerstellung der Datenstruktur in jedem Bild zuviel Zeit in Anspruch nimmt, ist eine schnelle und kostengünstige Aktualisierung erforderlich. Die in [LAM01] vorgestellte Lösung, eine Hüllkörperhierarchie (BVH) als Beschleunigungsdatenstruktur zu verwenden, fügt sich sehr gut in das Konzept eines Szenengraphen ein. Dadurch wird eine einfache Aktualisierung ermöglicht. Um das Ziel dieser Arbeit zu erreichen, ist es notwendig, die Parallelisierbarkeit des Raytracing-Verfahrens auszunutzen. Purcell zeigt in [Pur04], dass Grafikprozessoren (GPUs) neben ihrer eigentlichen Aufgabe auch für allgemeine, parallele Berechnungen wie das Raytracing verwendet werden können. Die in bisherigen Arbeiten über GPU-basiertes Raytracing entwickelten Systeme können dynamische Szenen nicht bei interaktiven Bildraten darstellen. Aus diesem Grund wird in dieser Diplomarbeit ein neues System konzipiert und implementiert, das den in [TS05] entwickelten Raytracer erweitert und in die Open Source Szenengraph-API OGRE 3D integriert. Das implementierte System ermöglicht die Darstellung statischer und dynamischer Szenen unter Verwendung einer Consumer-Grafikkarte bei interaktiven Bildraten. Durch seine Erweiterbarkeit bildet das System das Grundgerüst für ein Realtime-High-Quality-Rendering-System.
• Ray tracing is a well-known photorealistic rendering technique to display global illumination-effects in 3D scenes in a physically accurate way. Only by means of current research works it is possible to compute this expensive technique at interactive framerates in realtime. Complex scenes as they appear e. g. in 3D games or simulations, can be modeled and animated using a scenegraph. To gain more photorealism in scenegraph renderings, it is necessary to integrate ray tracing into a scenegraph-API. In this thesis possibilities for integrating a realtime ray tracer into a scenegraph-API are investigated. The main objective of this diploma-thesis is ray tracing dynamic scenes at interactive framerates on a consumer-PC. First of all existing open source scenegraph-APIs as well as latest realtime ray tracers need to be evaluated with regard to the suitability for this integration. When rendering dynamic scenes, the acceleration structure of the ray tracer plays a decisive role. Due to the fact that reconstructing the acceleration structure every frame takes too much time a fast and inexpensive method for updating the structure is required. The solution using a bounding-volume hierarchie (BVH), as presented in [LAM01], fits perfectly into the concept of a scenegraph and thus allows a fast and inexpensive method for updating the acceleration structure. In order to achieve the main objective of this thesis it is essential to take advantage of the possibility of parallelising ray tracing. Purcell shows in [Pur04] that Graphics Processing Units (GPUs) can be used for parallel general purpose computations like ray tracing. The systems developed in previous papers about GPU-based ray tracing are not able to render dynamic scenes at interactive framerates in realtime. Therefor a new system is designed and implemented in this thesis which extends the ray-tracer developed in [TS05] and integrates it into the scenegraph-API OGRE 3D. The developed system is capable of ray tracing static and dynamic scenes using consumer-graphics-hardware at interactive framerates. By reason of its extensibility this system forms the basis of a Realtime-High-Quality-Rendering-System.