GigaVoxels : un pipeline de rendu basé Voxel pour l'exploration efficace de scènes larges et détaillées

GigaVoxels : a Voxel-Based Rendering Pipeline For Efficient Exploration Of Large and Detailed Scenes

• Auteur / Autrice : Cyril Crassin
• Direction : Fabrice Neyret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques
• Date : Soutenance le 12/07/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Jean Kuntzmann (Grenoble ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ARTIS
• Partenaire(s) de recherche : organisme de recherche : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France ; 1979-....)
• Jury : Président / Présidente : François X. Sillion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Neyret, Jean-Michel Dischler, Carsten Dachsbacher, Miguel A. Sainz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mathias Paulin, Michael Wimmer

Mots clés

Mots clés libres

Voxels

Rendu

Matériel graphique

Visibilité

Scènes volumiques

Voxels

Rendering

GPU

Visibility

Volume scenes

Résumé

Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle approche efficace pour le rendu de scènes vastes et d'objets détaillés en temps réel. Notre approche est basée sur une nouvelle représentation pré-filtrée et volumique de la géométrie et un lancer de cone basé-voxel qui permet un rendu précis et haute performance avec une haute qualité de filtrage de géométries très détaillées. Afin de faire de cette représentation voxel une primitive de rendu standard pour le temps-réel, nous proposons une nouvelle approche basée sur les GPUs conçus entièrement pour passer à l'échelle et supporter ainsi le rendu des volumes de données très volumineux. Notre système permet d'atteindre des performances de rendu en temps réel pour plusieurs milliards de voxels. Notre structure de données exploite le fait que dans les scènes CG, les détails sont souvent concentrées sur l'interface entre l'espace libre et des grappes de densité et montre que les modèles volumétriques pourrait devenir une alternative intéressante en tant que rendu primitif pour les applications temps réel. Dans cet esprit, nous permettons à un compromis entre qualité et performances et exploitons la cohérence temporelle. Notre solution est basée sur une représentation hiérarchiques des données adaptées en fonction de la vue actuelle et les informations d'occlusion, couplé à un algorithme de rendu par lancer de rayons efficace. Nous introduisons un mécanisme de cache pour le GPU offrant une pagination très efficace de données dans la mémoire vidéo et mis en œuvre comme un processus data-parallel très efficace. Ce cache est couplé avec un pipeline de production de données capable de charger dynamiquement des données à partir de la mémoire centrale, ou de produire des voxels directement sur le GPU. Un élément clé de notre méthode est de guider la production des données et la mise en cache en mémoire vidéo directement à partir de demandes de données et d'informations d'utilisation émises directement lors du rendu. Nous démontrons notre approche avec plusieurs applications. Nous montrons aussi comment notre modèle géométrique pré-filtré et notre lancer de cones approximé peuvent être utilisés pour calculer très efficacement divers effets de flou ainsi d'éclairage indirect en temps réel.

In this thesis, we present a new approach to efficiently render large scenes and detailed objects in real-time. Our approach is based on a new volumetric pre-filtered geometry representation and an associated voxel-based approximate cone tracing that allows an accurate and high performance rendering with high quality filtering of highly detailed geometry. In order to bring this voxel representation as a standard real-time rendering primitive, we propose a new GPU-based approach designed to entirely scale to the rendering of very large volumetric datasets. Our system achieves real-time rendering performance for several billion voxels. Our data structure exploits the fact that in CG scenes, details are often concentrated on the interface between free space and clusters of density and shows that volumetric models might become a valuable alternative as a rendering primitive for real-time applications. In this spirit, we allow a quality/performance trade-off and exploit temporal coherence. Our solution is based on an adaptive hierarchical data representation depending on the current view and occlusion information, coupled to an efficient ray-casting rendering algorithm. We introduce a new GPU cache mechanism providing a very efficient paging of data in video memory and implemented as a very efficient data-parallel process. This cache is coupled with a data production pipeline able to dynamically load or produce voxel data directly on the GPU. One key element of our method is to guide data production and caching in video memory directly based on data requests and usage information emitted directly during rendering. We demonstrate our approach with several applications. We also show how our pre-filtered geometry model and approximate cone tracing can be used to very efficiently achieve blurry effects and real-time indirect lighting.