Real-time ray tracing in Quake III

Abstract

Diese Arbeit behandelt die Erweiterung der bekannten Quake III Spiel-Engine mittels Ray Tracing in Echtzeit. Hierbei wird untersucht, inwieweit Ray Tracing mithilfe der neuesten Grafikkarten-Generation von NVIDIA implementiert werden kann. Ermöglicht wird die Berechnung von Ray-Tracing Effekten in Echtzeit durch eine dedizierte Hardware-Unterstützung, welche Ray Tracing Algorithmen beschleunigen soll. Zugriff zu diesen Features wird durch eine neue API ermöglicht. Zudem werden Strategien besprochen wie Offline Ray Tracing Algorithmen in einer Real Time (Online) Umgebung effizient angewendet werden können. Hierfür wird zuerst Quake III mit einem Vulkan Backend ausgestattet, um in weiterer Folge, Distributed Ray Tracing zu implementieren, welches dann für das Darstellen der gesamten Spielewelt zuständig ist. Lediglich die user interface Elemente werden vom Rasterizer übernommen. Das Ziel ist es zu analysieren, inwieweit es möglich ist, mittels RTX Ray Tracing in eine Spiele Engine einzubauen und welche Abstriche an Qualität und Performance man in Betracht ziehen muss unter der Voraussetzung 30/60 Bilder pro Sekunde zu erreichen. Zudem werden Strategien besprochen, welche Qualität, Performance oder beides verbessern.

This work discusses the extension of the popular Quake III game engine using real-time raytracing.It investigates how ray tracing can be implemented using the most recent graphics card generation by NVIDIA, which offers dedicated hardware support and acceleration via an new API. In addition, strategies will be discussed about how offline ray-tracing algorithms can be transformed to an online real-time context. In order to implement ray tracing, Quake III needs to be extended with a Vulkan backend. Next, distributed ray tracing is implemented and is used to render the whole game world except for the user interface (UI) elements. The UI will be handled by the rasterizer. The performance and efficiency of ray tracing in a game engine using the RTX hardware features is analyzed and discussed. The focus lies on how quality and performance relate to each other, and how far ray tracing can be pushed with still acceptable frame rate of around 30/60 frames per second. Furthermore, implementation strategies that improve the quality, performance or both will be discussed.