Towards a High Quality Real-Time Graphics Pipeline

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Datorgrafik handlar om att övertyga betraktaren. En huvuduppgift är att generera verklighetstrogna bilder utifrån tredimensionella modeller. Med hjälp av datorer simuleras hur dessa modeller interagerar med ljus. Betraktaren skall helst inte reflektera över om bilden han ser är ett fotografi eller en helt och hållet genererad bild. I denna avhandling presenteras algoritmer som effektiviserar processen att skapa högkvalitativa bilder utifrån virtuella modeller. Vi förbättrar en rad avancerade tekniker för utritning av grafik med hög detaljrikedom och naturtrogen belysning. I interaktiva visuella applikationer kan betraktaren interagera med den virtuella scenen, och nya bilder måste skapas mer än 30 gånger per sekund. Ett par exempel på denna typ av applikationer är flygsimulatorer, medicinska visualiseringar och datorspel. Moderna datorer har dedicerade grafikprocessorer för att generera dessa bilder. Vår forskning utgår från dessa grafikprocessorer, och presenterar modifieringar som gör att de kan skapa mer avancerade bilder i realtid. Vi visar först att bilder med stort dynamiskt omfång kan komprimeras effektivt. Dessa bilder används flitigt i filmindustrin för att fånga in och spara omgivningsljus från en viss miljö. Ljuset i dessa bilder används sedan för att återskapa naturtroget ljus i virtuella scener. I grafikprocessorer för interaktiva applikationer är minnesbandbredden ofta en begränsande faktor. Med vår komprimerade bildrepresentation blir dessa bilder tillgängliga också för interaktiva applikationer. Verklighetstrogen grafik byggs upp av scener med detaljerade modeller. I avhandlingens andra del presenterar vi tekniker för att undvika att behandla de delar av scenen som inte bidrar till den slutgiltiga bilden. Detta reducerar den totala mängden arbete som behöver utföras, och gör att en given bild kan genereras på kortare tid. Med samma teknik kan vi även reducera den totala energiförbrukningen som krävs för att generera en bild. I den sista delen av avhandlingen blickar vi framåt och diskuterar tekniker för verklighetstrogna kameraeffekter. Om man med lång slutartid fotograferar ett rörligt objekt kan bilden av det rörliga objektet bli utsmetad. Detta kallas rörelseoskärpa (eng. motion blur) och simulationer av detta fenomen används flitigt i specialeffekter i filmer för att skapa naturtrogna animationer. Tyvärr finns det inget direkt stöd för rörelseoskärpa i nuvarande grafikprocessorer, då dessa effekter anses för kostsamma för att appliceras i interaktiva applikationer. Vi presenterar en modifierad grafikprocessor som möjliggör simulering av dessa effekter. Idag används visualiseringar av tredimensionella modeller flitigt inom flera områden. Biologer använder dem för att förstå uppbyggnaden av molekyler. Arkitekter skapar verklighetstrogna ritningar av hus. Bilindustrin använder virtuella modeller där material och färger kan ändras interaktivt. Den mest framträdande användningen av datorgrafik är i upplevelseindustrin, innefattande datorspel, och visuella effekter för film och reklam. Våra resultat effektiviserar utritningen av dessa visualiseringar och är applicerbara både för interaktiv grafik och högkvalitativ grafik i filmindustrin.