Accelerating ray tracing using FPGAs

Abstract

Die Synthese eines Bildes aus einer im Computer gespeicherten Szene ist das sogenannte Rendering, das beispielsweise mit einigen Vertretern der Klasse der Raytracing-Algorithmen fotorealistische Ergebnisse liefern kann. Diese Varianten (beispielsweise das Path Tracing) zeichnen sich allerdings durch eine stochastische Charakteristik aus, welche in einem hohen Rechenaufwand resultieren. Dies liegt in der Natur stochastischer Algorithmen, die durch eine hohe Anzahl an Stichproben ein Ergebnis berechnen–im Falle des Ray Tracing durch eine hohe Anzahl an Strahlen, die zur vollständigen Bildsynthese nötig sind. Eine Möglichkeit um das Ray Tracing, sowohl in den stochastischen als auch in den simpleren Formen, zu beschleunigen ist der Einsatz von spezialisierter Hardware. FPGRay ist ein solcher Ansatz, der dabei die Verwendung von spezialisierter Hardware mit der Software auf einem handelsüblichen PC kombiniert um eine Hybridlösung zu bilden. Dadurch soll die höhere Effizienz spezialisierter Hardware genutzt werden und zeitgleich eine Zukunftsfähigkeit im Falle sich ändernder Algorithmen erreicht werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine solche Effizienzverbesserung möglich ist. Allerdings war dies im Rahmen der Arbeit nicht realisierbar und die konkrete Implementation zeigte eine niedrigere Effizienz als reine Softwarelösungen. Die Möglichkeit der Erreichung einer höheren Effizienz durch diesen Ansatz konnte allerdings durch das Aufzeigen von FPGRays Potential sichtbar gemacht werden.

The synthesis of an image from a scene stored on a computer is called rendering, which is able to deliver photo-realistic results, e.g., by using specific variants of the class of ray tracing algorithms. However, these variants (e.g., path tracing) possess a stochastic characteristic which results in a high computational expense. This is explained by the nature of stochastic algorithms, which use a high number of samples to compute a result—in case of ray tracing, these samples manifest in a high number of rays needed for a complete rendering.One possibility to accelerate ray tracing—no matter if using a stochastic or simpler variants—is the use of customized hardware. FPGRay is such an approach, which combines the use of customized hardware with the software of an off-the-shelf PC to a hybrid solution. This allows increasing the efficiency by specialized hardware and delivers a sustainability in case of changing algorithms at the same time.The results point towards a possible efficiency gain. Unfortunately, in the scope of this thesis this was not realizable and the specific implementation showed a lower efficiency compared to the software implementation. Nevertheless, the possibility to achieve a higher efficiency with this approach by indicating FPGRay’s potential could be shown.