Визуализация реалистичных сцен в реальном времени с помощью трассировки вокселизированного пространства.

Группа компьютерной графики Санкт-Петербургского губернаторского ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОГО ЛИЦЕЯ № 30

Computer Graphics Support Group of 30 Phys-Math Lyceum

1. Купченков Иван 11-4

Научный руководитель проекта: Галинский Виталий Александрович

Постер (PDF, CGSG_UB2025_IK4_Poster.pdf)

Видеоклип (60 секунд, краткая аннотация, MP4)

Тезисы

Целью данной работы являлось создание системы визуализации реалистичных 3D сцен в реальном времени с помощью трассировки конусами пространства, разделённого на воксели. Разработанная мною система совмещает хорошую скорость рендеринга, как у классических систем графического вывода (которые сталкиваются с трудностями при расчете сложных эффектов освещения), и физическую точность, которая очень близка к точности трассировки лучей и трассировки путей (вычислительная сложность которых делает их непригодными для интерактивного использования без аппаратного ускорения).

Основной частью проекта стал разработанный автором алгоритм, который позволяет в реальном времени визуализировать сложные 3D сцены с глобальным освещением, включающим диффузное и зеркальное освещение, мягкие тени и отражения. Он состоит из двух основных этапов: вокселизация сцены и трассировка конусов.

Рис.1. Вокселизированная сцена.

На этапе вокселизации вся геометрия сцены преобразуется в воксельную сетку. Каждый воксель (минимальный элемент разбиения пространства в виде куба) содержит усредненные данные о нормалях и свойствах материалов объектов, попавших в него. Для эффективного доступа к данным на различных уровнях детализации для воксельной сетки строятся уровни детализации (mipmaps).

На этапе трассировки для каждого пикселя экрана вместо одиночного или нескольких лучей пускаются конусы с различными углами раствора, соответствующие разным эффектам (узкий конус для отражений, широкий — для диффузного освещения). При прохождении через воксельную сетку каждый конус последовательно обрабатывает данные из вокселей, накапливая информацию об освещенности. Такой подход позволяет добится хорошей производительности при реалистичном изображении. Рендеринг финальной версии кадра выполняется с помощью фрагментного шейдера (микропрограммы, заработанной автором для вычислений на видеокарте), на котором производится обработка трассировки конусов для каждого пикселя изображения.

Рис. 2. Результат

В результате работы была успешно разработана и реализована система визуализации фотореалистичных трехмерных сцен, использующая трассировку конусами вокселизированной сцены и работающая в реальном времени без аппаратного ускорения. Таким образом, данная система может использоваться в видеоиграх, различных симуляциях и проектировании.