Motores de renderização são softwares especializados, construídos sobre bibliotecas gráficas, cuja responsabilidade é gerar cenas tridimensionais realistas, contendo uma descrição robusta da geometria, cor, textura e efeitos visuais (reflexos, sombras, tonalização, etc.). A representação por...

Motores de renderização são softwares especializados, construídos sobre bibliotecas gráficas, cuja responsabilidade é gerar cenas tridimensionais realistas, contendo uma descrição robusta da geometria, cor, textura e efeitos visuais (reflexos, sombras, tonalização, etc.). A representação por computador dos raios de luz do mundo real não é uma tarefa trivial. Na realidade, é um processo extremamente custoso e geralmente inviável de ser feito em tempo real. Uma técnica bastante realista para a renderização, normalmente, de cenas estáticas é o ray tracing. Embora existam outros algoritmos de renderização em nível de GPU, estes objetivam a velocidade em detrimento da qualidade, gerando artefatos visuais indesejáveis para atingir taxas interativas (aproximadamente, 30 quadros por segundo) em cenas dinâmicas. Esta tese apresenta VTracer, um motor de renderização híbrido capaz de gerar efeitos visuais realistas a taxas interativas, através de uma nova solução para a síntese de reflexos que combina Screen Space Reflection (SSR) em espaço de tela com ray tracing em GPU (em duas versões, uma usando a biblioteca OptiX e outra integralmente em CUDA) e, para a síntese de sombras, usando shadow maps e/ou ray tracing. Em particular, para o ray tracer em CUDA, uma Linear Bounding Volume Hierarchy (LBVH) foi usada como estrutura de dados aceleradora. Além disso, VTracer foi integrado com sucesso ao motor da Física Bullet, para também gerar efeitos visuais realistas em simulações dinâmicas de corpos rígidos e deformáveis. Os resultados mostram que é possível combinar rasterização e ray tracing para a síntese de efeitos visuais realistas (sombras e, particularmente, reflexos) a taxas interativas, tanto em cenas estáticas contendo objetos planos e curvos (côncavos e convexos, com ou sem normal maps), quanto em cenas dinâmicas, sejam estes objetos rígidos ou deformáveis. Para verificação e validação da proposta, estudos de caso variados e sistemáticos foram conduzidos, focados na análise de desempenho do VTracer quanto à qualidade, taxas de quadros por segundo e escalabilidade. Duas métricas foram aplicadas para a análise objetiva da qualidade, as quais comprovaram o nível de realismo de todas as imagens sintetizadas nos testes. Adicionalmente, os testes mostraram que VTracer é capaz de gerar reflexos híbridos e sombras a taxas interativas e com boa escalabilidade, à medida que os níveis de complexidade geométrica e de movimento dos vértices dos objetos aumentam, mesmo em cenas de alto custo computacional, como as dinâmicas com objetos deformáveis. Finalmente, é possível concluir que, para a maior parte dos casos de teste investigados, o módulo do VTracer em OptiX foi mais recomendado para cenas estáticas e, o em CUDA, para dinâmicas. Com relação à aplicação deste trabalho, há várias possibilidades vislumbradas, por exemplo, a criação de um plugin que possibilitasse a geração dos efeitos visuais do VTracer em motores de jogos comerciais.

Palavras-chave: Motor de renderização. Sombras. Reflexos. Rasterização. Ray tracing. Realismo. FPS interativo. Cenas estáticas e dinâmicas. Corpos rígidos e deformáveis.

Rendering engines are specialized softwares, built on graphics libraries, whose responsibility is to generate realistic tridimensional scenes, containing a robust description of the geometry, color, texture and visual effects (reflections, shadows, shading, etc.). The computer representation of...

Rendering engines are specialized softwares, built on graphics libraries, whose responsibility is to generate realistic tridimensional scenes, containing a robust description of the geometry, color, texture and visual effects (reflections, shadows, shading, etc.). The computer representation of light rays from the real world is not a trivial task. Actually, it is an extremely costly process and generally unfeasible to be done in real time. A quite robust and realistic technique for rendering, normally, static scenes is ray tracing. Although there are other rendering algorithms at GPU level, they target speed at the expense of quality, generating undesirable visual artifacts to achieve interactive rates (approximately 30 frames per second) in dynamic scenes. This thesis presents VTracer, a hybrid rendering engine capable of generating realistic visual effects at interactive rates, through a new solution for reflection synthesis which combines Screen Space Reflection (SSR) in screen space with ray tracing in GPU (into two versions, one using the OptiX library and one entirely developed in CUDA), and for shadow synthesis using shadow maps and/or ray tracing. In particular, for the ray tracer in CUDA, a Linear Bounding Volume Hierarchy (LBVH) was used as the accelerator data structure. Moreover, VTracer has been successfully integrated into the Bullet Physics engine to generate also realistic visual effects in dynamic simulations of rigid and deformable bodies. The results show that it is possible to combine rasterization and ray tracing for the synthesis of realistic hybrid visual effects (shadows and, particularly, reflections) at interactive rates, both in static scenes containing flat and curved objects (concave and convex, with or without normal maps), as in dynamic scenes, whether these objects are rigid or deformable. In order to verify and validate the proposal, several systematic and varied case studies were conducted focusing on the performance analysis of VTracer in terms of quality, frame rates and scalability. Two metrics were applied for the objective quality analysis, which proved the level of realism of all the images synthesized in the tests. In addition, the tests showed that VTracer is capable of generating hybrid reflections and shadows at interactive rates and with good scalability as the levels of geometric complexity and movement of objects' vertices increase, even in high-cost scenes such as the dynamic ones with deformable objects. Finally, it is possible to conclude that, for the majority of the test cases investigated, the VTracer module in OptiX was more recommended for static scenes and, the one in CUDA, for dynamic ones. With regards to the application of this work, there are many possibilities envisioned, for example, the creation of a plugin that would allow the generation of the VTracer's visual effects in commercial game engines.

Keywords: Rendering engine. Shadows. Reflections. Rasterization. Ray Tracing. Realism. Interactive FPS. Static and Dynamic Scenes. Rigid and deformable bodies.

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