Strålspårad ambient ocklusion i realtid med animationer : Bildkvalité och prestanda av hårdvaruaccelererad, strålspårad ambient ocklusion

Recently, new hardware capabilities in GPUs has opened the possibility of ray tracing in real-time at interactive framerates. These new capabilities can be used for a range of ray tracing techniques - the focus of this thesis is on ray traced ambient occlusion (RTAO). This thesis evaluates real-time ray RTAO by comparing it with ground- truth ambient occlusion (GTAO), a state-of-the-art screen space ambient occlusion (SSAO) method. A contribution by this thesis is that the evaluation is made in scenarios that includes animated objects, both rigid-body animations and skinning animations. This approach has some advantages: it can emphasise visual artefacts that arise due to objects moving and animating. Furthermore, it makes the performance tests better approximate real-world applications such as video games and interactive visualisations. This is particularly true for RTAO, which gets more expensive as the number of objects in a scene increases and have additional costs from managing the ray tracing acceleration structures. The ambient occlusion methods are evaluated in terms of image quality and performance. Image quality is assessed using structural similarity index (SSIM) and through visual inspection. The performance is assessed by measuring computation time, in milliseconds. This thesis shows that the image quality of RTAOis a substantial improvement over GTAO, being close to offline rendering quality. The primary visual issue with RTAO is visible noise - especially noticeable around the contours of moving objects. Nevertheless, GTAO is very competitive due to its performance, the computation time for all GTAO tests were below one ms per frame. At 1080p full-resolution GTAO was computed in 0.3883 ms on a RTX 3070 GPU. In contrast, the computation time of RTAO at 1080p and two samples per pixels were 2.253 ms. The cost of updating and rebuilding ray tracing acceleration structures were also noteworthy. Overall, the results indicate that hardware accelerated ray tracing can be used for significant improvements in image quality but adoption of this technique is not trivial due to performance concerns. Med hårdvaruaccelererad strålspårning på grafikkort som introducerades nyligen möjliggjordes flera strålspårningsbaserade tekniker för rendering i realtid. Detta examensarbete undersöker en sådan teknik - strålspårad ambient ocklusion (engelska: ray traced ambient occlusion (RTAO)). RTAO undersöks och utvärderas för användning i realtidsapplikationer genom en jämförelse med en ambient-ocklusionsmetod som beräknas i bildrummet (screen space ambient occlusion (SSAO)) kallad ground-truth ambient occlusion (GTAO). Detta examensarbete bidrar genom att utvärdera metoderna i testscenarion som inkluderar animerade objekt. Detta medför ett antal fördelar: utvärderingen kan betona visuella artefakter som kan uppstå när objekt rör sig och animeras. Vidare gör det att prestandatesterna kan inkludera kostnader som tillkommer när scener innehåller animerade objekt - detta är särskilt betydande för RTAO som blir dyrare att beräkna när antalet objekt stiger samt har ytterligare kostnader för att uppdatera datastrukturer som används för att accelerera strålspårningen. På så vis närmar sig testscenarion en bred kategori av applikationer som använder rendering i realtid, exempelvis spel och interaktiva visualiseringar. Utvärderingen sker på uppnådd bildkvalité samt metodernas prestanda. Bildkvalitén utvärderas genom structural similarity index (SSIM) samt visuellinspektion. Prestandan utvärderas genom att mäta beräkningstiden i millisekunder. Resultaten visar att RTAOs bildkvalité är tydligt överlägsen GTAO och närmar sig de resultat som uppnås genom förrendering. Det primära problemet med RTAOs bildkvalité är förekomsten av visuellt brus. Detta är extra tydligt runt konturerna på de objekt som är animerade och förflyttar sig. Hursomhelst är GTAO attraktivt då denna metod kan beräknas betydligt snabbare än RTAO. Samtliga GTAOs prestandatester visade på beräkningstider under en millisekund. Vid en upplösning på 1080p med två prov per pixel (samples per pixel) var beräkningstiden för RTAO 2,253 ms. Kostnaden för att uppdatera datastrukturerna för strålspårningen visade sig också vara betydlig i många tester. Sammantaget indikerar resultaten att hårdvaruaccelererad strålspårning kan resultera i en signifikant förbättring av bildkvalité men att det kan innebära en kostnad som kräver betänklighet