Approximating Global Illumination with Real-Time Ambient Occlusion

Abstract

Å tilnærme global illuminasjon har lenge vært et problem sanntids applikasjoner som spill har prøvd å løse effectivt. I mange år har de beste og mest effektive teknikkene vært omgivende okklusjon algortimer basert i skjerm-rom. Ett ek- sempel er Horizon-Based Ambient Occlusion. Selv om slike algoritmer er ef- fektive, kan de lide av uønskede effekter, og en mangel på realisme, da de er skjerm-rom algoritmer som prøver å tilnære en verden-rom effekt.

I 2018 lanserte Nvidia de første maskinvare akselererte “ray tracing” grafikko- rtene. Ordentlig “ray traced” omgivende okklusjon kan nå være et alternativ til skjerm-rom algoritmer. Men for å være et realistik alternativ må resultatene være av en viss kvalitet, og utregningstiden må være ikke være mer enn noen millisekunder.

Denne avhandlingen vil vise at selv om sanntids omgivende oklusjon nå er mulig, og resultatene er av relativt god kvalitet, er det fremdeles ikke helt klart til å tas i bruk i spill. Dette er grunnet uønskede visuelle effekter som skapes av det lave antallet prøver som må brukes under utregningen av om- givende okklusjon, dens scene- og synspunkt-avhengige utregningstid, og tiden som kreves for å gjenoppbygge akselerasjonsstrukturene.

Approximating global illumination has long been a problem that real-time ap- plications, such as games, have been trying to solve efficiently. For years, the best and most efficient techniques have been ambient occlusion algorithms based in screen-space, such as Horizon-Based Ambient Occlusion. Although efficient, such algorithms can suffer from artifacts, and a lack of realism due to being screen-space algorithms trying to approximate a world space effect.

In 2018, Nvidia released the first ever hardware accelerated ray tracing graphical processing units. Proper ray traced ambient occlusion could now be a viable alternative to screen-space algorithms. However, to be a viable alterna- tive, the results need to be of a certain quality, and its performance must be in the order of a few milliseconds.

This thesis will show that although real-time ambient occlusion is possible, and its results are of reasonable quality, it is still not quite ready to be used in real-time applications such as games. This is due to some visual patterns in the results that are caused by the low sample count when calculating ambient occlusion, its scene- and viewpoint-dependent performance, and lastly the time required to rebuild acceleration structures.