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Integration von Real-Time Raytracing in interaktive Virtual-Reality-Systeme

Hilko HoffmannDmitri RubinsteinAlexander Löffler, and Philipp Slusallek 
12. Fraunhofer IFF Wissenschaftstage 2009 (IFF-WiTa '09)
Magdeburg, Germany, June 16-18, 2009 

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Abstract

Aktuelle Computerprozessoren integrieren auf einem Chip in jeder neuen Generation mehr und mehr Rechenkerne mit vergleichsweise moderaten Taktraten. Die gewünschten Leistungssteigerungen werden bei diesem neuen Ansatz anstelle immer höherer Taktraten mit Parallelisierung der Berechnungen realisiert. Dies gilt sowohl für moderne Hauptprozessoren (Multi-core CPUs), als auch in noch deutlich stärkerem Maße für aktuelle Grafikprozessoren (Many-core GPUs). GPUs sind heute mit Hersteller spezifischen Sprachen, wie z.B. NVIDIAs "CUDA", weitgehend programmierbar und machen eine enorme, bisher Supercomputern vorbehaltene, Rechenleistung auf handelsüblichen Arbeitsplatzrechnern verfügbar. Intel geht mit dem angekündigten Many-core "Larrabee" noch einen Schritt weiter und versucht Multi-core CPU und GPU Konzepte in einem flexibel programmierbaren Prozessor zu vereinen. "Larrabee" bildet im Gegensatz zu aktueller Grafikhardware sogar die gesamten Bildberechnungen (Rendering) in Software ab. Echtzeit Grafikanwendungen, wie z.B. Computerspiele und Visualisierungssysteme, profitieren von dieser Entwicklung, weil nun die Bild- und Effektberechnung nicht mehr durch die relativ starren Abläufe auf spezialisierter Grafikhardware vorgegeben wird, sondern in flexibel gestaltbarer Software realisiert werden kann.

In diesem Beitrag wird ein hochparalleles System, bestehend aus der vollständig neu entwickelten Echtzeit-Raytracing-Engine "RTfact" und dem Echtzeit- Szenengraphen "RTSG", beschrieben, das die Konzepte und die vielen Rechenkerne der neue Hardware möglichst optimal nutzt. Das System beschleunigt die Bildberechnung mit dem Raytracing-Verfahren soweit, dass es für interaktive Virtual-Reality-Anwendungen eingesetzt werden kann. RTSG erlaubt eine abstrakte Beschreibung der darzustellenden virtuellen Welt auf Basis des X3D-Standards, um die Austauschbarkeit von Daten und Objektverhalten sicherzustellen. RTSG bildet die Schnittstelle zwischen der Visualisierungsanwendung bzw. einem Virtual-Reality-System und verschiedenen Rendering-Modulen. Das Design von RTSG erlaubt es, alternativ zu RTfact auch die klassische Rasterisierung mittels "OGRE" zur Bildberechnung zu verwenden. RTSG ist derzeit einer der schnellsten verfügbaren X3D-Browser. In industriellen Virtual-Reality-Anwendungen kann das hier vorgestellte System Konstruktions- und Designentscheidungen anhand virtueller Modelle durch die erreichbare Bildqualität, den erreichbaren visuellen Realismus, sowie den Detaillierungsgrad der interaktiv visualisierbaren, virtuellen Modelle maßgeblich unterstützen.