[논문 리뷰] RTSDF: Generating Signed Distance Fields in Real Time for Soft Shadow Rendering

Yu Wei Tan, Nicholas Chua외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 01.

Computer Graphics and Visualization Techniques인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 실시간으로 서피스 거리 필드(SDF)를 생성하기 위해 뛰어넘기 플러딩(jump flooding)을 이용한 거친 SDF 근사와 대상 지향 레이 트레이싱 및 시간적 누적을 조합한 RTSDF를 제안한다. 이는 뛰어난 흐린 그림자와 낮은 블록성의 실시간 프레임 레이트를 달성하며, 전통적인 CSM에 비해 EVSM 필터링을 사용할 때보다 그림자 품질이 뛰어나지만 성능을 유지한다.

ABSTRACT

Signed Distance Fields (SDFs) for surface representation are commonly generated offline and subsequently loaded into interactive applications like games. Since they are not updated every frame, they only provide a rigid surface representation. While there are methods to generate them quickly on GPU, the efficiency of these approaches is limited at high resolutions. This paper showcases a novel technique that combines jump flooding and ray tracing to generate approximate SDFs in real-time for soft shadow approximation, achieving prominent shadow penumbras while maintaining interactive frame rates.

연구 동기 및 목표

• 인터랙티브 애플리케이션에서 오프라인 SDF 생성의 한계를 해결하기 위해 실시간 SDF 계산을 가능하게 한다.
• 표준 뛰어넘기 플러딩이 SDF에 유도하는 블록성 표면 아티팩트를 선택적 고해상도 레이 트레이싱으로 극복한다.
• 실시간 성능를 유지하면서 두드러진 흐린 그림자 품질을 달성한다.
• 시간적 누적과 레이머처칭 최적화를 통해 SDF 기반의 흐린 그림자 렲영에서 발생하는 가시성 아티팩트(예: 가시성 흐림, 밴딩)를 줄인다.

제안 방법

• 3D 뛰어넘기 플러딩을 사용하여 x, y, z 축 방향의 정사투영으로부터 복셀화된 시점 데이터를 이용해 거친 SDF를 생성한다.
• 깊이 테스트를 비활성화한 래스터라이제이션 파이프라인을 사용하여 복셀을 업데이트하여 모든 프리미티브가 SDF에 기여하도록 보장한다.
• 고해상도에서 초기화된 정밀 SDF를 생성하고, 거친 SDF 표면으로부터 거리 d 이내의 텍셀들만 정확도를 확보하기 위해 레이 트레이싱을 수행한다.
• 각 텍셀의 월드 위치에서 무작위 방향의 레이를 사용하며, 시간에 걸쳐 레이 간 최소 거리를 누적한다.
• 이동하는 물체에서의 가시성 아티팩트를 줄이기 위해 감쇠 인자 α를 사용한 시간적 누적을 적용하여 이전 프레임 데이터와 현재 레이 트레이싱 결과를 결합한다.
• 최종 SDF는 면의 충돌 비율(앞면 대 뒷면)에 기반하여 부호화되며, 잡음이 적은 밴딩을 줄이기 위해 조정된 원점과 단계 크기 제한을 적용한 레이머처칭을 통해 흐린 그림자를 렲영한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 뛰어넘기 플러딩과 레이 트레이싱을 조합한 하이브리드 접근 방식이 실시간으로 흐린 그림자 려파지션에 필요한 정확도를 갖춘 SDF를 생성할 수 있는가?
• RQ2 시간적 누적과 선택적 레이 트레이싱은 동적 환경에서 가시성 아티팩트(예: 가시성 흐림, 밴딩)를 어떻게 줄일 수 있는가?
• RQ3 레이 트레이싱을 위한 임계 거리 값 d를 조정할 때 성능와 SDF 정확도 사이의 상호 교환 관계는 어떠한가?
• RQ4 CSM에 EVSM 필터링을 적용한 경우에 비해 이 방법이 흐린 그림자의 품질을 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 저해상도 복셀과 최소 레이머처칭 단계 크기가 얇은 표면 렌더링과 그림자 어둠의 영역에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이 방법은 GeForce RTX 2080 Ti에서 흐린 그림자 렌더링 시 97 fps를 달성하며, 시각적 품질에서 CSM에 EVSM 필터링을 적용한 경우(113 fps)를 능가한다.
• 감쇠 인자 α를 사용한 시간적 누적은 이전 및 현재 프레임 데이터를 혼합함으로써 이동하는 물체에서의 가시성 아티팩트를 효과적으로 줄인다.
• 거친 SDF에 가까운 영역에 한해 선택적 레이 트레이싱을 수행함으로써 정밀도를 필요로 하는 영역에서만 높은 정확도를 확보하면서도 실시간 성능를 유지한다.
• 현재 및 이전 레이머처칭 샘플 포인트 간의 삼각화와 최대 단계 크기 제한을 통해 그림자 흐린 영역의 밴딩 아티팩트를 완화할 수 있었다.
• 최소 레이머처칭 단계 크기와 복셀화 간극으로 인해 얇은 표면에서는 여전히 그림자 어둠의 영역에 구멍이 발생하므로, 이러한 영역에서는 하이브리드 그림자 매핑이 필요하다는 점을 시사한다.
• 저비용의 거친 SDF와 대상 지향 고정밀 레이 트레이싱을 조합함으로써 순수한 뛰어넘기 플러딩보다 더 매끄럽고 블록성이 적은 표면을 생성한다.