[論文レビュー] RTSDF: Generating Signed Distance Fields in Real Time for Soft Shadow Rendering

Yu Wei Tan, Nicholas Chua+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Computer Graphics and Visualization Techniques被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、粗いSDF近似にジャンプフォールディングを組み合わせ、高品質なソフトシャドウを生成するためのリアルタイム手法RTSDFを提案する。時間的積算と局所的レイトラーシングを用いることで、顕著なペナムブラと低減されたブロックノイズを実現し、従来のCSMにEVSMを適用する手法と比較してシャドウ品質に優れつつ、パフォーマンスを維持する。

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.

研究の動機と目的

• インタラクティブなアプリケーションにおけるオフラインSDF生成の制限を克服し、リアルタイムSDF計算を可能にすること。
• 標準的なジャンプフォールディングによるSDFのブロックノイズを、選択的かつ高解像度のレイトラーシングで克服すること。
• インタラクティブパフォーマンスを維持しつつ、顕著なペナムブラを有する高品質なソフトシャドウを実現すること。
• 時間的積算とレイマーチング最適化を用いて、SDFベースのソフトシャドウレンダリングにおけるゴーストアーチファクトやバンドノイズを低減すること。

提案手法

• 3次元ジャンプフォールディングを用いて、x軸、y軸、z軸に沿った正射影からのボクセル化されたシーンデータから粗いSDFを生成する。
• 深度テストを無効にしたラスタライゼーションパイプラインを用いてボクセルを更新し、すべてのプリミティブがSDFに寄与することを保証する。
• 高解像度で初期化された細かいSDFに対して、粗いSDFの表面から距離d以内のテクセルのみをレイトラーシングで処理し、精度を確保する。
• 各テクセルのワールド位置からランダムな方向のレイを発行し、時間経過とともに最小距離を積算する。
• 移動物体におけるゴーストアーチファクトを低減するために、時間的積算をαの減衰係数を用いて実施し、前回フレームのデータと現在のレイトレース結果を融合する。
• 最終的なSDFは、面のヒットレート（前向き vs 後向き）に基づいて符号化され、ジャマーディングされた原点とステップサイズの制限を用いたレイマーチングによりソフトシャドウがレンダリングされる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ジャンプフォールディングとレイトラーシングをハイブリッドに組み合わせた手法が、リアルタイムでのソフトシャドウレンダリングに十分な精度を持つSDFを生成できるか？
• RQ2 時間的積算と選択的レイトラーシングは、動的シーンにおけるゴーストアーチファクトやバンドノイズをどのように低減できるか？
• RQ3 レイトラーシングの距離しきい値dをチューニングする際、パフォーマンスとSDF精度の間でどのようなトレードオフが生じるか？
• RQ4 CSMにEVSMフィルタリングを適用する手法と比較して、本手法はペナムブラ品質をどの程度向上できるか？
• RQ5 低解像度のボクセルと最小レイマーチステップサイズは、細い表面のレンダリングやシャドウアンブレにどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• 本手法は、GeForce RTX 2080 Tiでペナムブラが顕著なソフトシャドウレンダリングにおいて97 fpsを達成し、視覚的品質ではCSMにEVSMを適用する手法（113 fps）を上回る。
• 減衰係数αを用いた時間的積算により、移動物体におけるゴーストアーチファクトが効果的に低減され、前回フレームデータと現在のフレームデータがブレンドされる。
• 粗いSDFからの距離に応じた選択的レイトラーシングにより、必要な箇所でのみ高精度が確保され、リアルタイムパフォーマンスが維持される。
• 現在および前回のレイマーチングサンプルポイント間の三角化と最大ステップサイズの制限により、シャドウペナムブラにおけるバンドノイズアーチファクトが軽減される。
• 最小レイマーチステップサイズとボクセル化のギャップのため、細い表面ではまだシャドウアンブレに穴が生じる場合がある。これは、こうした領域ではハイブリッドシャドウマッピングの導入が求められることを示唆する。
• 低コストな粗いSDFと、局所的な高精度レイトラーシングの組み合わせにより、純粋なジャンプフォールディングよりも滑らかで、ブロックノイズの少ない表面が得られる。