Grafiikkaprosessorien hyödyntäminen säteenseurannassa

Abstract

Visuaalisen kokemuksen jatkuva parantaminen on keskeinen ongelma tietokoneiden grafiikoiden luomisessa. Paremmat grafiikat asettavat tiettyjä suorituskykyvaatimuksia laitteistolle, jonka avulla niitä käsitellään. Tästä syystä grafiikkaprosessorien kehitys on ollut keskeinen osa puolijohdeteollisuutta viime vuosikymmenten aikana. Tässä työssä perehdytään grafiikkaprosessorien arkkitehtuuriin yleisellä tasolla, sekä syvennytään Nvidian viimeisimpään grafiikkaprosessori-arkkitehtuuriin ja sen etuihin säteenseurannassa. Työn tavoitteena on tutkia, mitä säteenseuranta on ja kuinka se hyötyy grafiikkaprosessoreista. Säteenseuranta on tekniikka, jonka avulla voidaan muodostaa luonnollisempia grafiikoita kuin perinteisillä rasterointitekniikoilla. Säteenseurannan avulla mallinnetaan valonsäteiden realistista liikettä ympäristössä, jotta luotu kuva olisi mahdollisimman todenmukainen. Säteenseuranta on kuitenkin erittäin raskas ja prosessointitehoa kuluttava tekniikka, joka on estänyt sen yleistymistä tietokonegrafiikoiden luonnissa. Työssä esitellään säteenseurannan historia sekä perehdytään sen toteuttamiseen yleisesti ja tutustutaan muutamiin tekniikoihin, joita hyödynnetään, kun säteenseurantaa toteutetaan grafiikkaprosessorilla. Pelkkä grafiikkaprosessorin suorituskyky ei kuitenkaan riitä toteuttamaan säteenseurantaa tai se ei ainakaan ole järkevää. Tätä varten on kehitetty erilaisia kiihdytysrakenteita. Tässä työssä tutustutaan kahteen yleisimpään kiihdytysrakenteeseen, jotka ovat rajoittava tilavuushierarkia ja kd-puut. Tutkimuksen tuloksena havaittiin, miten grafiikkaprosessorien erikoistuneet laskentaresurssit mahdollistavat nykypäivänä myös reaaliaikaisen säteenseurannan esimerkiksi peleissä. Animaatioelokuvien kohdalla säteenseurantaa on pystytty hyödyntämään renderöintitekniikkana huomattavasti reaaliaikaisia sovelluksia aiemmin, koska renderöintiä ei tarvitse suorittaa reaaliajassa vaan siihen voidaan käyttää reilusti enemmän aikaa.