Lancer de rayons interactif

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Lancer de rayons interactif

• Réunion équipe graphique 06/02/2003

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Plan

• Rappels sur le lancer de rayons
• vers un lancer de rayons interactif

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I Rappels sur le lancer de rayons

• Initialement
• algorithme d élimination des parties cachées

• Principe
• pour chaque pixel P
• lancer un rayon d origine O et de direction OP
  dans la scène
• calculer les intersections entre le rayon et les
  objets
• conserver l objet le plus proche

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Calcul de l éclairage

• Éclairage local/direct
• Prise en compte de la visibilité de chaque source
  
• lancer d un rayon d ombrage depuis le point
  d intersection vers chaque source
• si aucun obstacle
• la source est visible
• on ajoute sa contribution
• si il existe un obstacle (intersection avec un
  objet de la scène)
• aucune contribution de la source
• gt prise en compte des ombres ...

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Illustration
Source 1
Rayons d ombrage
Source 2
P
O
I(P) a . I(Source1) 0 . I(Source2)
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Prise en compte des reflets
Source 1
Réflexions spéculaires uniquement
Source 2
P
P
O
Rayon réfléchi
I(P) a . I(Source1) 0 . I(Source2) I(P)
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Arbre de rayons
Réflexions uniquement
Rayon primaire
Rayons réfléchis
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Arrêt du processus

• I(P(n)) lt seuil minimal
• l apport des rayons réfléchis/réfractés suivants
  est considéré comme négligeable
• n lt profondeur maximale
• évite les boucles infinies
• en général, combinaison des deux

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Coût de calcul

• Algorithme basé sur le calcul des intersections
  entre les rayons et les objets composant la scène
• Approche naïve
• calcul de toutes les intersections entre chaque
  rayon et tous les objets de la scène
• coût (N2 x No) x ((Ns2) x No)P
• N2 nombre de pixels de l image ( nombre de
  rayons primaires)
• No nombre d objets dans la scène
• Ns nombre de source dans la scène
• P profondeur maximale de l arbre

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Réduction du coût

• Simplifier le calcul de chaque intersection
• gain limités
• Réduire le nombre dintersections à calculer
• gain importants si Ni ltlt No
• utilisation de structures de données spécialisées
• Distribuer les calculs
• efficace sur de petites scènes (duplication de la
  scène)
• plus complexe sur des scènes de grande taille

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Structures accélératrices

• Nombreuses et basées sur le regroupement des
  primitives géométriques partageant un espace
  commun
• volumes englobants
• subdivisions spatiales
• régulières
• irrégulières

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Les volumes englobants

• Principe
• entourer un objet  complexe  par un objet plus
  simple appelé englobant

• 2 étapes pour le calcul d intersection
• intersection avec l englobant
• si intersection, calcul de l intersection avec
  l objet interne
• si pas d intersection, aucune intersection
  possible avec l objet interne

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Hiérarchie de volumes englobants

• Généralisation du principe des englobants à
  plusieurs niveaux
• arborescence de volumes englobants

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Subdivision régulière

• Tout le volume englobant la scène est découpé en
  N x N x N voxels (volume elements)
• Chaque voxel contient la liste des objets qui se
  trouvent dans l espace qu il représente
• Il faut calculer le trajet du rayon dans le
  volume de voxels
• Utilisation d un algorithme de tracé de droite
  3D de type bresenham

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Illustration
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Avantages / Inconvénients

• Avantages
• découpage fin
• réduction importante du nombre d objets à
  traiter
• suivi incrémental de la trajectoire du rayon
• simplicité
• rapidité
• Inconvénients
• espace mémoire supplémentaire important
• N3 voxels au moins un pointeur par voxel gt
  de 4N3 octets
• en général beaucoup de voxels sont vides

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Subdivisions irrégulières

• Objectif
• Réduire le trop grand nombre de voxels vides
• Moyen
• Ne pas découper lespace de manière régulière
• Utiliser des voxels de taille différente
• Différentes approches
• Arbres  Octrees 
• Arbres  BSP 

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Les octrees

• Définition
• Octree arbre possédant 8 fils
• Principe
• Chaque fils représente un volume
  parallélépipédique de lespace
• Ce volume contient
• Soit un nombre maximum dobjets (fixé à lavance)
• Soit rien
• Construction processus récursif
• À chaque étape, on découpe un volume en 8 sous
  volumes identiques (division par 2 selon chaque
  axe)
• On teste les conditions de contenu pour chaque
  sous volume

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Illustration
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Avantages / inconvénients

• Avantages
• Réduction du nombre de voxels (on regroupe de
  nombreux voxels vides au sein dun seul volume)
• Inconvénients
• Suivi du rayon plus difficile (les volumes
  traversés successivement ne sont pas identiques)

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Les arbres BSP

• BSP Binary Space Partition
• Amélioration des octrees
• On ne découpe pas systématiquement en 8
• On découpe en 2, en variant cycliquement le plan
  de découpe
• Mêmes critères pour le découpage
• Volume contenant plus de MAX objets on découpe
• Sinon on ne découpe pas
• Avantage réduction du nombre de voxels
• Inconvénient suivi difficile des rayons

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Illustration 2D
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Cependant ...

• Les performances obtenues restent loin de la
  notion d interactivité
• quelques secondes de calcul pour une scène de
  très faible complexité
• plusieurs minutes à plusieurs heures dès lors que
  la scène se complexifie
• Comment obtenir un lancer de rayons interactif,
  voire temps réel ???

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II. Vers un lancer de rayons interactif

• Références
•  Interactive distributed ray tracing of highly
  complex models , Wald et al, Rendering
  Techniques 2001
•  Interactive rendering with coherent ray
  tracing , Wald et al, Eurographics 2001
• Objectifs
• utiliser le LR sur des très grosses scènes
  (plusieurs dizaines de millions de triangles)
• obtenir une visualisation interactive (plusieurs
  images par seconde)

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Moyens mis en uvre

• Distribution des calculs
• Copie  unique  des données
• Optimisation poussée du lancer de rayons
• Pas de pré-calculs coûteux sur la scène, tq
• indexation spatiale
• niveaux de détail
• simplification de la géométrie

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Approche distribuée

• Approche relativement classique
• un maître gère la distribution des calculs et
  l affichage
• N esclaves ont en charge les calculs
  d intersection
• Plus précisément
• chaque esclave calcule une zone image de taille
  32x32 qui lui est affectée dynamiquement par le
  maître

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Le problème des données

• LR  embarrassingly parallel 
• le calcul dun pixel est indépendant de celui des
  autres pixels
• même remarque pour une zone 32x32
• Mais
• nécessité de disposer a priori de toute la scène
  pour les calculs dun pixel / dune
  zone(propagation des arbres de rayons dans la
  scène)
• Classiquement mémoire réduite sur esclaves gt
  accroissement des communications

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Distribution des données (1)
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Distribution des données (2)
Absent !
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Distribution des données (suite)

• Gestion du cache LRU
• Compression des arbres BSP secondaires
• Gestion asynchrone des rayons
• mise en attente en cas de données manquantes
• Séparation des données
• géométriques calculs d intersection
  uniquement
• photométriques pour l illumination d un seul
  point
• réduit les communications
• améliore l utilisation du cache

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Optimisations du lancer de rayons (1)

• Réduction de la complexité du code
• objectif optimiser l utilisation du pipeline
  matériel du processeur
• moyens
• utiliser un seul type de primitive (triangle)
• choix du BSPTree (code de traversée simple)
• réduire les conditions au niveau du code
• Gestion des caches
• réduire les temps daccès aux données nécessaires
• prefetching (nécessité d algos simples .)

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Optimisations du lancer de rayons (2)

• Gestion des cohérences entre rayons
• des rayons voisins ont un comportement similaire
  lors de leur trajet dans la scène
• application aux rayons primaires et d ombrage
• Cette forme de cohérence peut être exploitée
• au niveau matériel
• routines SSE, réduction des accès mémoires aux
  données communes, amélioration de l utilisation
  du cache
• dans la gestion de la distribution des calculs

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Instructions SSE
Registres 64 bits
Registres 256 bits
x
x1
x2
x3
x4
y
y1
y2
y3
y4


xy
x1y1
x2y2
x3y3
x4y4


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Application au lancer de rayons

• Calcul simultané de plusieurs intersections
• gain de 3.5 à 3.7

• Parcours du BSPTree en parallèle pour 4 rayons
• traversée 2 à 3 fois plus coûteuse que le calcul
  d intersection (sans SSE)
• calculs liés à la traversée  facilement 
  parallélisables pour le BSP
• Calcul simultané de l illumination
• réorganisation des calculs en cas de matériaux
  différents
• lancer des rayons d ombrage vers chaque source
  en SSE

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Cohérence et distribution

• Les pixels calculés par un processeur sont
  corrélés
• zone 32x32 gt comportement  similaire  des
  rayons
• favorise la localité des BSPTrees nécessaires au
  calculs d intersection
• déplacement (modéré) de la caméra
• distribution de chaque zone au processeur
  l ayant calculée à l image précédente (localité
  des données)

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Quelques résultats

• Configuration
• 7 bi-processeurs P3
• scène de 50 millions de facettes
• images 640 x 480
• 1 rayon par pixel
• pas de rayons d ombrage ni de réflexions
• Performances
• entre 3 et 5 images par seconde (sans SSE)
• entre 6 et 12 images par seconde (avec SSE -
  estimation)

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Commentaires (1)

• Limitations
• restriction des réflexions
• la cohérence entre rayons décroît lorsque l on
  descend dans les arbres de rayons
• les résultats présentés sont essentiellement liés
  aux rayons primaires et d ombrage
• les résultats restent convenables si les zones de
  forte réflexion restent petites sur l image

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Commentaires (2)

• Intérêts par rapport au tracé de chemin
• basé sur le tracé de rayons
• doit pouvoir être accéléré par des techniques
  similaires
• écriture  fine  du code
• distribution des calculs
• Mais nombreux problèmes
• essentiellement liés au postulat de cohérence

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(No Transcript)
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Commentaires (3)

• SSE
• a priori difficulté de trouver des rayons ayant
  une trajectoire proche
• mais
• applicable aux rayons primaires
• applicable aux rayons d ombrage de niveau 1
  (PTNE)
• envisager une bufferisation des rayons ?
• Distribution
• efficacité liée à la cohérence de traversée des
  arbres BSP
• perdue du fait des réflexions  aléatoires 
• envisager une bufferisation des rayons (bis) ?