Tesis

Visualización de escenas 3D fotorrealistas mediante hardware gráfico programable (GPU)

Federico Jorge Marino
fedemarino@gmail.com

Tesis de Grado en Ingeniería Informática

Director: Ing. Horacio Abbate

Facultad de Ingeniería, Universidad de Buenos Aires

Resumen
El trabajo comienza exponiendo los fundamentos de las técnicas de iluminación global para la síntesis de imágenes partirde un modelo 3D y su base físico-matemática. Se reseñan los diferentes algoritmos entre los que se encuentran: Ray Tracing, Path Tracing, Radiosity y Photon Mapping. Luego se analizan las plataformas disponibles para implementar sistemas de rendering en tiempo real como ser clusters de PCs o GPUs (Graphics Processing Unit). Se analiza en detalle la arquitectura de las GPU y las técnicas paracomputar algoritmos de propósito general en ellas (GPGPU). A continuación se propone un caso de estudio que consiste en implementar el algoritmo de Photon Mapping sobre una GPU utilizando OpenGL y el lenguaje Cg. Para ello, se diseño una capa de software orientada a objetos basada en los conceptos del paradigma Streaming Programming Model y la extensión de OpenGL, Framebuffer Object para implementarkernels y streams utilizando los mecanismos de cómputo del hardware gráfico. Sobre esa base se construyo un motor de Photon Mapping adaptando una estructura de aceleración de trazado de rayos denominada BVH (Bounding Volumen Hierarchy) y la técnica de Photon Splatting para computar la iluminación indirecta. Finalmente se evalúa el desempeño, escalabilidad de la implementación en relación a variosparámetros, y se analizan diferentes imágenes generadas a partir de un modelo de caja de Cornell (Cornell Box).

I

Agradecimientos
Debo comenzar agradeciendo especialmente a Horacio, por sus consejos, su dedicación y su paciencia durante el extenso desarrollo de este proyecto. Siguiendo por los docentes de la Facultad de Ingeniería que me orientaron en mi búsqueda de un proyecto interesantepara investigar. También tengo que agradecer a mi familia, por su colaboración en la redacción y revisión de varios puntos que integran este trabajo. Siguiendo por mi madre, sin cuya asistencia logística/gastronómica no hubiera podido dedicar el tiempo suficiente a esta tarea. Por último, a mis amigos y conocidos que creyeron que algún día este proyecto estaría concluido.

Federico J. MarinoOctubre de 2007

II

Índice General
Resumen Agradecimientos 1. Introducción 2. Fundamentos de la iluminación global 2.1. La física de la luz 2.2. Terminología de iluminación 2.3. Técnicas 2.4. La ecuación del Rendering 2.5. Interacción luz-superficie 2.5.1. La función BSSRDF 2.5.2. La función BRDF 2.5.3. Reflectancia 2.5.4. Reflectancia difusa 2.5.5. Reflexión especular 2.5.6. Refracción 3.Algoritmos de iluminación global 3.1. Ray Tracing clásico 3.1.1. Estructuras de aceleración 3.1.2. Ventajas 3.1.3. Desventajas 3.2. Path Tracing 3.2.1. Ventajas 3.2.2. Desventajas 3.3. Bidirectional Path Tracing 3.3.1. Ventajas 3.3.2. Desventajas 3.4. Metropolis Light Transport 3.4.1. Ventajas I I II 1 2 2 2 6 6 7 7 8 9 9 10 11 12 12 14 14 14 14 16 17 17 18 18 18 18

3.4.2. Desventajas 3.5.Radiosity 3.5.1. Etapa 1, determinación de los factores de forma 3.5.2. Etapa 2, resolución del sistema de ecuaciones 3.5.3. Etapa 3, sntesis de la imagen 3.5.4. Ventajas 3.5.5. Desventajas 3.7. Photon Mapping 3.7.1. Motivación y antecedentes 3.7.2. El método 3.7.3. Fase 1, trazado de fotones 3.7.4. Fase 2, rendering 3.7.5. Desempeño y mejoras 4. Plataformas de Rendering de alto desempeño 4.1. Clustersde PCs 4.2. Hardware gráfico programable 5. GPU (Graphics Processing Unit) 5.1. El pipeline gráfico 5.2. El pipeline gráfico programable 5.3. Modelo de memoria de la GPU 5.4. El procesador de vértices 5.5. El rasterizador 5.6. El procesador de fragmentos programable 5.7. Stream Programming Model 5.8. GPGPU 5.9. Computando con un programa de fragmentos 6. Implementación de un caso de estudio 6.1....