Refraktioner genom flera lager i realtid med image-space metod och inline ray tracing

Although modern hardware allows us to use ray tracing in real-time, ray traced refractions are still demanding due to its need to generate multiple rays recursively in order to fully refract through a multi-layered object. With the recent release of inline ray tracing, it is possible to traverse and register ray hits inside a fragment shader. This allows for convenient implementation of ray tracing into past rasterization algorithms and possibly improve on their limitations such as more physically accurate simulation of certain natural phenomena. Image-space refractions is a rasterization algorithm used to simulate refractions in real-time. This algorithm is limited in that it shows difficulties when refracting through concave objects containing more than two layers. This paper implements a new refraction method which combines image-space refractions with inline ray tracing into a Hybrid method in order to remove the limitations caused by image-space refractions and generate physically accurate refractions close to the ray traced results but with less rays used. The Hybrid method is evaluated using an NVIDIA GeForce RTX 2070 SUPER graphics card with screen resolution set to 1920x1080 and compared with three other refraction methods which are (1) ray traced refractions, (2) image-space refractions, and (3) a state-of-the-art refraction method implemented in Avalanche Studios APEX engine. Both visual and rendering speed comparisons are made between the four methods on three different 3D models of varying amount of surface layers and complexity, a 4-layered concave drinking glass, a 2-layered convex sphere, and a concave pillar with a lot of variety in amount of layers. The results reveal that at most, three rays can be saved per pixel using the Hybrid method compared to using fully ray traced refractions while in worst case only one ray is saved, both while still achieving physically accurate refractions. The amount of rays saved using the Hybrid method, cause great improvement in rendering speed compared to ray traced refractions. While the image-space and the state-of- the-art refraction methods are a lot faster, they produce less physically accurate visuals for concave objects containing more than two layers, compared to the Hybrid and ray traced methods. Trots att modern hårdvara låter oss använda ray tracing i real-tid kan refraktioner genererade med ray tracing fortfarande vara krävande då de behöver generera flera rays rekursivt för att fullt refraktera igenom objekt med flera lager. Med lanseringen av inline ray tracing är det möjligt att använda ray tracing i fragment shaders. Detta tillåter implementation av ray tracing i tidigare rasteriseringsalgoritmer och möjligtvis lösa deras limitationer såsom mer fysiskt noggranna simuleringar av naturliga fenomen. Image-space refraktioner som används för att simulera realistiska refraktioner i realtid, är en rasteriserings-metod som är begränsad i att den har svårt att simulera refraktion på konkava objekt med mer än två lager. Detta examensarbete kombinerar image-space refraktioner med inline ray tracing till en Hybrid metod, för att ta bort begränsningarna som ges av image-space refraktioner och samtidigt uppnå fysiskt noggranna refraktioner då det jämförs med fullt ray traceade refraktioner men med färre rays genererade per pixel. Hybrid methoden evalueras med NVIDIA GeForce RTX2070 SUPER grafik-kort med skärmupplösningen satt till 1920x1080, och jämförs med tre andra refraktionsmetoder som är (1) ray traceade refraktioner, (2) image-space refraktioner, (3) en state-of-the-art refraktionsmetod implementerad i Avalanche Studios APEX motor. Både visuella och hastighetsjämförelser kommer utföras mellan de fyra metoderna på tre olika 3D modeller med varierande komplexitet. Dessa är ett konkavt glas med 4 lager, en konvex sfär med 2 lager och en konkav pelare med mycket variation i mängden lager. Resultaten visar att högst tre rays sparas per pixel med Hybrida metoden jämfört med fullt ray traceade refraktioner medans det fortfarande sparas en ray per pixel i värsta fall, samtidigt som fysiskt noggranna refraktioner uppnås. Antalet rays sparade av Hybrida metoden leder till en stor förbättring i hastighet jämfört med ray traceade refraktioner. Samtidigt som image-space och state-of-the-art refraktionerna renderar snabbast så producerar de mindre fysiskt noggranna refraktioner på konkava objekt med fler är två lager, jämfört med Hybrida och ray traceade metoderna