[論文レビュー] Implementing a Photorealistic Rendering System using GLSL

Toshiya Hachisuka|arXiv (Cornell University)|May 22, 2015

Computer Graphics and Visualization Techniques参考文献 15被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、OpenGL 3.0 を使用して完全に GLSL 1.20 で実装された、プラットフォームに依存しない GPU によるフォトリッチなレンダリングシステムを提示する。BVH（バウンディングボリュームヒエラルキー）の走査と確率的プログレッシブフォトンマッピングをサポートする。スタックレス走査を可能にする複数スレッドの BVH と、浮動小数点数のみを用いた擬似乱数生成器を導入し、元のスレッド化 BVH と比較して 2–3 倍の性能向上を達成するとともに、WebGL や多様なプラットフォームとの互換性を確保している。

ABSTRACT

Ray tracing on GPUs is becoming quite common these days. There are many publicly available documents on how to implement basic ray tracing on GPUs for spheres and implicit surfaces. We even have some general frameworks for ray tracing on GPUs. We however hardly find details on how to implement more complex ray tracing algorithms themselves that are commonly used for photorealistic rendering. This paper explains an implementation of a stand-alone rendering system on GPUs which supports the bounding volume hierarchy and stochastic progressive photon mapping. The key characteristic of the system is that it uses only GLSL shaders without relying on any platform dependent feature. The system can thus run on many platforms that support OpenGL, making photorealistic rendering on GPUs widely accessible. This paper also sketches practical ideas for stackless traversal and pseudorandom number generation which both fit well with the limited system configuration.

研究の動機と目的

• 標準的な GLSL および OpenGL 3.0 機能のみを用いて完全にポータブルなフォトリッチなレンダリングシステムを実装すること。
• ベンダースペシフィックな拡張機能やコンピュート API を使用せずに、GPU 上での効率的なレイトラーシングを可能にすること。
• ポータブルでシェーダーのみの環境で、確率的プログレッシブフォトンマッピングのような複雑なレンダリングアルゴリズムをサポートすること。
• 制限付きの GLSL 環境下での BVH 走査および乱数生成におけるパフォーマンスボトルネックを解消すること。
• WebGL やマルチプラットフォームへのデプロイメント、特に Web ベースのレンダリングを含めた互換性を確保すること。

提案手法

• レイの主方向に沿って事前にノードをソートすることで、スタックレス走査が可能になり、パフォーマンス劣化が最小限に抑えられる複数スレッドの改良版 BVH（MTBVH）を使用する。
• ビット操作に依存しない乗法的線形合同生成器に基づく、浮動小数点数のみを用いた擬似乱数生成器を採用する。
• 各ピクセルスレッドごとに独立したパストレーシングを実行することで、変動するパス長に適応した負荷分散を実現する確率的プログレッシブフォトンマッピングを実装する。
• フォトンデータストレージにおける同時書き込み競合を解消するために、乱数化された深度値と z バッファリングを用いた確率的空間ハッシュを適用する。
• フォトントレーシング、アイパストレーシング、範囲クエリによる密度推定のための別々のシェーダーを備えたハイブリッドレンダリングパイプラインを採用する。
• コンピュートシェーダーやベンダースペシフィックな拡張機能を一切使用せず、GLSL 1.20 および OpenGL 3.0 機能のみに依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な GLSL および OpenGL 3.0 のみを用いて、高性能でフォトリッチなレンダリングシステムをどのように実装できるか？
• RQ2 スタックの使用や高度なスレーディングを避けた GLSL 環境で、BVH 走査のパフォーマンスをどのように向上できるか？
• RQ3 ビット操作に依存しない環境で、GLSL において高品質な乱数生成をどのように達成できるか？
• RQ4 変動するパス長を持つ GPU スレッド間で、確率的プログレッシブフォトンマッピングをどのように効率的に並列化できるか？
• RQ5 このようなシステムが、WebGL やその他のポータブルプラットフォームにどの程度展開可能か？

主な発見

• 複数スレッドの BVH（MTBVH）は、走査順序の依存性を低減することで、元のスレッド化 BVH と比較して 2–3 倍の走査パフォーマンス向上を達成した。
• 浮動小数点数のみを用いた擬似乱数生成器は、レンダリングに十分なランダムネスの質を発揮するとともに、計算効率が高く、GLSL 1.20 と完全に互換性がある。
• GeForce GTX 680 を使用して、複雑なシーン（例：コロンボックス）のエンドツーエンドレンダリングを 1 分未満で実現した。
• 本実装は複数のプラットフォームで動作し、特に浮動小数点テクスチャ拡張子を備えた環境において WebGL と高い互換性を示した。
• 各ピクセルスレッドが独立したパス長を許容することで、パストレーシングにおける効率的な負荷分散が可能となり、GPU の利用効率が向上した。
• OpenGL のネイティブドライバーレvel並列処理により、カスタムコードなしで即座にマルチGPU対応が可能になった。