Applications of temporal coherence in real-time rendering

Abstract

In der Echtzeitgraphik gilt es eine gegebene Szene mindestens 60 mal in der Sekunde darzustellen. Obwohl die Computergraphik-Hardware in den letzten Jahren unglaubliche Fortschritte in Bezug auf Geschwindigkeit und Programmierbarkeit vorzuweisen hat, existiert dennoch eine Reihe von Algorithmen, die zu zeitaufwändig sind, um in solch einem kurzen Zeitraum berechnet werden zu können. Als Beispiel seien an dieser Stelle nur exakte Schattenberechnungen oder eine korrekte globale Beleuchtungslösung genannt. Eine Möglichkeit, dieses Zeitlimit zu umgehen, ist die den meisten Animationen inhärente zeitliche Kohärenz} zu nutzen, um Algorithmen inkrementell in der Zeit zu reformulieren.<br />Die Hauptthese dieser Arbeit ist, dass zeitliche Kohärenz in der Echtzeitgraphik dazu verwendet werden kann, um bekannte Darstellungsalgorithmen zu beschleunigen und mit besserer visueller Qualität auszustatten.<br />Zu diesem Zweck präsentieren wir neue Algorithmen aus den Bereichen pixelgenaue harte Schatten, physikalisch korrekte weiche Schatten und eine neue Methode für schnelles Überblenden von diskreten LOD-Stufen, die alle erfolgreich zeitliche Kohärenz einsetzen. Darüber hinaus bieten wir eine detaillierte Übersicht über verwandte Arbeiten aus den Bereichen der zeitlichen Kohärenz, harte sowie weiche Schatten-Berechnungen.<br />

Real-time rendering imposes the challenging task of creating a new rendering of an input scene at least 60 times a second. Although computer graphics hardware has made staggering advances in terms of speed and freedom of programmability, there still exist a number of algorithms that are too expensive to be calculated in this time budget, like exact shadows or an exact global illumination solution. One way to circumvent this hard time limit is to capitalize on temporal coherence to formulate algorithms incremental in time.<br />The main thesis of this work is that temporal coherence is a characteristic of real-time graphics that can be used to redesign well-known rendering methods to become faster, while exhibiting better visual fidelity. To this end we present our adaptations of algorithms from the fields of exact hard shadows, physically correct soft shadows and fast discrete LOD blending, in which we have successfully incorporated temporal coherence. Additionally, we provide a detailed context of previous work not only in the field of temporal coherence, but also in the respective fields of the presented algorithms.