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。

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。

Transcript

1. redflash [4D]
   2023-09-02 レイトレ合宿9本戦
   @gam0022 / Sho HOSODA
   

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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

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   4次元の立方体の理解 - 大人になってからの再学習
   

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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

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   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
   

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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

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   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
   

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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

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    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
    

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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

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    ● 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
    

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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🎉

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    MengerSpongeはBox（平面）で構成されるので、とても相性が良かった
    

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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）

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    50 frame 150 frame 250 frame
    ● 比率
    ● 通常
    ● [BV23]
    

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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.
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