redflash [4D] renderer / Raytracing Camp 9

レイトレ合宿9でOptiXを用いて開発した自作レンダラーのプレゼンスライドです。
https://gam0022.net/blog/2023/09/20/rtcamp9/

4次元空間上で回転し、それから3次元に投影することで、内外が入れ替わるような不思議なループアニメーションを制作しました。

2023年に発表された「Automatic Step Size Relaxation in Sphere Tracing」という手法でレイマーチングの交差判定を高速化しました。

Google Slides版
https://docs.google.com/presentation/d/1f05HU58XD2w_71CJOdiEqOsBI8L2TYRTMndNT9MPqpI/edit

Transcript

1. redflash [4D] 2023-09-02 レイトレ合宿9本戦 @gam0022 / Sho HOSODA
2. アピールポイント💪
 • 超立方体
 ‣ 4Dの回転のアニメーションを3Dに投影
 ‣ “次元の差” で勝負
 
 • レイマーチングの高速化
 ‣ [Bán&Valasek 23] Automatic Step Size Relaxation in Sphere Tracing
 
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3. 基本機能
 • Unidirectional Path Tracing
 ‣ implemented in NVIDIA® OptiX 6.5
 • Materials
 ‣ Disney BRDF, Lambert Diffuse
 • NEE（Next Event Estimation)
 • MIS（Multiple Importance Sampling）
 • Primitives
 ‣ Sphere
 ‣ Mesh
 ‣ Distance Function (Raymarching)
 • ACES Filmic Tone Mapping
 • Deep Learning Denoising
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4. レンダラーの出力設定
 • 解像度
 ‣ 1920x1080
 
 • 300フレーム💪
 ‣ 30FPS × 10秒（上限）
 ‣ 1フレーム1秒
 ‣ ループ再生に対応したアニメーション
 
 • マルチインスタンス
 ‣ フレーム分割（150フレームで2分割）
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5. 超立方体
 • 超立方体（hypercube）
 ‣ 4次元の立方体
 5 4次元の立方体の理解 - 大人になってからの再学習
6. 四次元の描画
 4次元の回転を3次元から観測すると面白いアニメーションになる
 • 内側と外側がグルグルと入れ替わる
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7. 四次元の描画
 7 3次元座標を4次元に変換（逆ステレオ投影） 4次元空間上で回転 3次元空間上で描画 4次元座標を3次元に変換（ステレオ投影） Stereographic Projection: Cartography Applications - Mathematics Stack Exchange
8. ステレオ投影とは？
 • この動画が超分かりやすい
 ‣ 4次元の数 ｢四元数｣の見た目
 
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9. 2つのフラクタルから構成
 9 外側のMengerSponge 金属質で複雑 内側のMengerSponge サイバー感でシンプル clearcoatとsubsurface有効 完成形
10. 完成形
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11. モデリングの試行錯誤
 Untiy HLSLで下書きしてからCUDA Cに移植 
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12. レイマーチング（Sphere Tracing）の高速化の研究
 • [Keinert et al. 14] Enhanced Sphere Tracing
 • [Bán&Valasek 18] Accelerating Sphere Tracing
 • [Bán&Valasek 23] Automatic Step Size Relaxation in Sphere Tracing
 12 今年の論文を実装！ [Bán&Valasek 18] シーンを平面と仮定 Sphereが重ならないように次のステップを求める 普通のSphereTracing [Bán&Valasek 23]は [Bán&Valasek 18]の パラメーターを自動調整
13. [Keinert et al. 14] Enhanced Sphere Tracing
 • レイのステップを ω ∈ [1, 2) 倍（relaxation parameter）
 ‣ 通常より大きくレイを進める
 ‣ 進み過ぎたら、引き返す
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14. [Bán&Valasek 18] Accelerating Sphere Tracing
 14 • シーンを平面と仮定してステップを予測 ◦ Sphere同士が重ならない最大のステップ ◦ ω ∈ [0, 1] の定数でステップの補正の強さを調整 ▪ 平面のシーン: ω=1 ▪ 曲面のシーン: ω<1 普通のSphereTracing
15. [Bán&Valasek 23] Automatic Step Size Relaxation in Sphere Tracing
 • [Bán&Valasek 18] Accelerating Sphere Tracing と同じ著者ら
 ‣ Róbert Bán and Gábor Valasek
 
 • [Bán&Valasek 18]と同様に平面を仮定して最大のステップを決める
 • ωを状況に応じて自動調整
 ‣ 引き返しがない状態が続けば、大きく調整 
 ‣ 引き返しが起きたら、ωを小さくリセット 
 
 • 前の2つの手法より良いか同等の結果 
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16. [Bán&Valasek 23] Automatic Step Size Relaxation in Sphere Tracing
 提出シーンで計測した結果、1.9倍も高速化🎉
 16 MengerSpongeはBox（平面）で構成されるので、とても相性が良かった
17. [Bán&Valasek 23] Automatic Step Size Relaxation in Sphere Tracing
 形状の歪みが少ないほど効果が高い（2sppの描画時間）
 17 50 frame 150 frame 250 frame • 比率 • 通常 • [BV23]
18. [Bán&Valasek 23] Automatic Step Size Relaxation in Sphere Tracing
 去年のシーンは通常SphereTracingの半分まで性能が悪化…
 平面が含まれないフラクタルだと厳しいのかもしれない
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19. その他の工夫
 • 制限時間を守る工夫
 ‣ 各フレームの最初の2サンプリングからギリギリ間に合うサンプリング数を推定
 
 • PNGの保存の並列化
 ‣ サブスレッドで動作
 ‣ メインスレッドのレンダリングをブロックしない
 
 • 軽量版のレンダラー
 ‣ アニメーションの確認用
 
 • プライマリレイのDepthを2回目以降のサンプリングで使い回す
 ‣ 大きく高速化できるが、DoFできなくなる
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20. アピールポイント💪
 • 超立方体
 ‣ 4Dの回転のアニメーションを3Dに投影
 ‣ “次元の差” で勝負
 
 • レイマーチングの高速化
 ‣ [Bán&Valasek 23] Automatic Step Size Relaxation in Sphere Tracing
 
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21. END. 21