Physically-based Cloud Rendering on GPU

Abstract

Optická simulace participujících medií je zajímavý a taky důležitý problém, který ale nemá žádné jednoduché řešení. Mezi participujícími médii lze navíc oblaky, díky jejich pro simulaci složitým vlastnostem, chápat jako obzvláště náročný případ. Cílem této práce je navrhnout řešení tohoto problému a to navíc takové, které by tuto simulaci provádělo interaktivně. Hlavními kritérii při navrhnování teto metody byly její fyzikální věrnost a maximální využití některých výhodných vlastností oblaků, které by nám pomohly vyvážit jejich složitou podstatu. Ve výsledku je námi navrhovaná metoda postavená na algoritmu fotonových map, kterou ale zásadním způsobem modifikujeme tak, aby bylo dosáhnuto její interaktivity a časové koherence. Tomuto napomáhá i fakt, že jsme se při návrhu snažili, aby naši techniku bylo možné implementovat na součastných GPU, jejichž masivně paralelní výpočetní výkon jsme chtěli využít. Prototyp naší metody jsme implementovali v aplikaci, která je schopná interaktivně vykreslovat (zatím pouze) jeden oblak. Naše diskuze se tedy především zabývá tím, jak tento prototyp naší metody zlepšit natolik, aby jej bylo možné použít v různých praktických aplikacích v průmyslu.

The rendering of participating media is an interesting and important problem without a simple solution. Yet even among the wide variety of participating media the clouds stand out as an especially difficult case, because of their properties that make their simulation even harder. The work presented in this thesis attempts to provide a solution to this problem, and moreover, to make the proposed method to work in interactive rendering speeds. The main design criteria in designing this method were its physical plausibility and maximal utilization of specific cloud properties which would help to balance the complex nature of clouds. As a result the proposed method builds on the well known photon mapping algorithm, but modifies it in several ways to obtain interactive and temporarily coherent results. This is further helped by designing the method in such a way which allows its implementation on contemporary GPUs, taking advantage of their massively parallel sheer computational power. We implement a prototype of the method in an application that renders a single realistic cloud in interactive framerates, and discuss possible extensions of the proposed technique that would allow its use in various practical industrial applications.