Метод упорядочивания облаков точек для визуализации на конвейере трассировки лучей

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В настоящее время активно развивается оцифровка объектов окружающей среды (растительности, рельефа, архитектурных сооружений и др.) в виде облаков точек. Интеграция таких оцифрованных объектов в системы виртуального окружения позволяет повысить качество моделируемой обстановки, однако требует эффективных методов и алгоритмов визуализации больших объемов точек в реальном времени. В данной статье исследуется решение этой задачи на современных многоядерных графических процессорах с поддержкой аппаратного ускорения трассировки лучей. Предлагается модифицированный метод разбиения исходного неупорядоченного облака точек на группы точек, визуализация которых эффективно распараллеливается на ядрах трассировки лучей. В работе описан алгоритм построения таких групп с помощью чередующихся массивов индексов точек, который работает быстрее альтернативных решений на связных списках, а также имеет меньшие накладные расходы памяти. Предложенные метод и алгоритм были реализованы в программном комплексе визуализации облаков точек и апробированы на ряде оцифрованных объектов окружающей среды. Результаты апробации подтвердили эффективность предложенных решений и возможность их применения в системах виртуального окружения, видеотренажерных и геоинформационных системах, виртуальных лабораториях и др.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

П. Ю. Тимохин

Научно-исследовательский институт системных исследований Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: p_tim@bk.ru
Россия, Москва

М. В. Михайлюк

Научно-исследовательский институт системных исследований Российской академии наук

Email: mix@niisi.ras.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Guo M., Sun M., Pan D., Wang G., Zhou Y., Yan B., Fu Z. High-precision deformation analysis of yingxian wooden pagoda based on UAV image and terrestrial LiDAR point cloud // Heritage Science. 2023. V. 11. P. 1–18. https://doi.org/10.1186/s40494-022-00833-z
  2. Adamopoulos E., Papadopoulou E.-E., Mpia M., Deligianni E.-O., Papadopoulou G., Athanasoulis D., Konioti M., Koutsoumpou M., Anagnostopoulos C.N. 3D Survey and Monitoring of Ongoing Archaeological Excavations via Terrestrial and Drone LIDAR // ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. 2023. V. X-M-1-2023. P. 3–10. https://doi.org/10.5194/isprs-annals-X-M-1-2023-3-2023
  3. Weiser H., Schäfer J., Winiwarter L., Krašovec N., Fassnacht F.E., Höfle B. Individual tree point clouds and tree measurements from multi-platform laser scanning in German forests // Earth System Science Data. 2022. V. 14. № 7. P. 2989–3012. https://doi.org/10.5194/essd-14-2989-2022
  4. Risbøl O., Gustavsen L. LiDAR from drones employed for mapping archaeology – Potential, benefits and challenges // Archaeological Prospection. 2018. V. 25. P. 329–338. https://doi.org/10.1002/arp.1712
  5. Sketchfab – The leading platform for 3D & AR on the web. 2023. https://sketchfab.com/
  6. Casado-Coscolla A., Sanchez-Belenguer C., Wolfart E., Sequeira V. Rendering massive indoor point clouds in virtual reality // Virtual Reality. 2023. V. 27. P. 1859–1874. https://doi.org/10.1007/s10055-023-00766-3
  7. Kharroubi A., Hajji R., Billen R., Poux F. Classification and Integration of Massive 3D Points Clouds in a Virtual Reality (VR) Environment // The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. 2019. V. XLII-2/W17. P. 165–171. https://doi.org/10.5194/isprs-archives-XLII-2-W17165-2019
  8. Discher S., Masopust L., Schulz S., Richter R., Döllner J. A Point-Based and Image-Based Multi-Pass Rendering Technique for Visualizing Massive 3D Point Clouds in VR Environments // Journal of WSCG. 2018. V. 26. № 2. P. 76–84. https://doi.org/10.24132/JWSCG.2018.26.2.2
  9. Тимохин П.Ю., Михайлюк М.В. Моделирование особенностей ландшафта с помощью облаков точек в системах виртуального окружения // Труды 33-й Международной конференции по компьютерной графике и машинному зрению (GraphiСon 2023). 2023. C. 157–168. https://doi.org/10.20948/graphicon-2023-157-168
  10. Kivi P.E.J., Mäkitalo M.J., Žádník J., Ikkala J., Vadakital V.K.M., Jääskeläinen P.O. Real-Time Rendering of Point Clouds With Photorealistic Effects: A Survey // IEEE Access. 2022. V. 10. P. 13151–13173. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3146768
  11. Kobbelt L., Botsch M. A survey of point-based techniques in computer graphics // Computers & Graphics. 2004. V. 28. № 6. P. 801–814. https://doi.org/10.1016/j.cag.2004.08.009
  12. Botsch M., Hornung A., Zwicker M., Kobbelt L. High-Quality Surface Splatting on Today's GPUs // Proc. Eurographics / IEEE VGTC Symposium Point-Based Graphics. 2005. P. 17–24. https://doi.org/10.2312/SPBG/SPBG05/017-024
  13. Linsen L., Müller K., Rosenthal P. Splat-based Ray Tracing of Point Clouds // Journal of WSCG. 2007. V. 15. P. 51–58. https://dspace5.zcu.cz/bitstream/11025/1426/1/Linsen.pdf
  14. Wald I., Seidel H.-P. Interactive ray tracing of point-based models // Proceedings Eurographics / IEEE VGTC Symposium Point-Based Graphics (Jun. 2005). 2005. P. 9–16. https://doi.org/10.1145/1187112.1187176
  15. Adamson A., Alexa M. Ray tracing point set surfaces // Proceedings of the Shape Modeling International (SMI '03). 2003. P. 272–279. https://doi.org/10.1109/SMI.2003.1199627
  16. Hubo E., Mertens T., Haber T., Bekaert P. Self-similarity based compression of point set surfaces with application to ray tracing // Computers & Graphics. 2008. V. 32. № 2. P. 221–234. https://doi.org/10.1016/j.cag.2008.01.012
  17. Tejada E., Gois J.P., Nonato L.G., Castelo A., Ertl T. Hardware-accelerated Extraction and Rendering of Point Set Surfaces // Proceedings of the 8th Joint Eurographics – IEEE VGTC Symposium on Visualization (EuroVis '06). 2006. P. 21–28. https://doi.org/10.2312/VisSym/EuroVis06/021-028
  18. Zhang Y., Pajarola R. Deferred blending: Image composition for single-pass point rendering // Computers & Graphics. 2007. V. 31. № 2. P. 175–189. https://doi.org/10.1016/j.cag.2006.11.012
  19. Wimmer M., Scheiblauer C. Instant points: Fast rendering of unprocessed point clouds // Eurographics Symposium on Point-Based Graphics (eds. Botsch M., Chen B., Pauly M., Zwicker M.). Geneva, Switzerland: The Eurographics Association. 2006. P. 129–136. https://doi.org/10.2312/SPBG/SPBG06/129-136
  20. Hubo E., Mertens T., Haber T., Bekaert P. The Quantized kd-Tree: Efficient Ray Tracing of Compressed Point Clouds // 2006 IEEE Symposium on Interactive Ray Tracing, Salt Lake City, UT, USA. 2006. P. 105–113. https://doi.org/10.1109/RT.2006.280221
  21. Günther C., Kanzok T., Linsen L., Rosenthal P. A GPGPU-based Pipeline for Accelerated Rendering of Point Clouds // Journal of WSCG. 2013. V. 21. № 2. P. 153–162. https://dspace5.zcu.cz/bitstream/11025/6978/1/Gunther.pdf
  22. Schütz M., Kerbl B., Wimmer M. Rendering Point Clouds with Compute Shaders and Vertex Order Optimization // Computer Graphics Forum. 2021. V. 40. № 4. P. 115–126. https://doi.org/10.1111/cgf.14345
  23. Kashyap S., Goradia R., Chaudhuri P., Chandran S. Implicit Surface Octrees For Ray Tracing Point Models // ICVGIP’10: proceedings of the 7th Indian Conference on Computer Vision, Graphics and Image Processing (December 2010). 2010. P. 227–234. https://doi.org/10.1145/1924559.1924590
  24. Karras T. Maximizing Parallelism in the Construction of BVHs, Octrees, and k-d Trees // Eurographics/ ACM SIGGRAPH Symposium on High Performance Graphics. Eurographics Association. 2012. P. 33–37. https://doi.org/10.2312/EGGH/HPG12/033-037
  25. Kim H.-J., Cengiz Öztireli A., Gross M., Choi S.-M. Adaptive surface splatting for facial rendering // Computer Animation Virtual Worlds. 2012. V. 23. № 3–4. P. 363–373. https://doi.org/10.1002/cav.1463
  26. Schütz M., Krösl K., Wimmer M. Real-Time Continuous Level of Detail Rendering of Point Clouds // IEEE VR2019: the 26th IEEE Conference on Virtual Reality and 3D User Interfaces (VR), Osaka, Japan. IEEE. 2019. P. 103–110. https://doi.org/10.1109/VR.2019.8798284
  27. Kulik A., Kunert A., Beck S., Matthes C.-F., Schollmeyer A., Kreskowski A., Fröhlich B., Cobb S., D'Cruz M. Virtual Valcamonica: Collaborative Exploration of Prehistoric Petroglyphs and Their Surrounding Environment in Multi-User Virtual Reality // Presence: Teleoperators and Virtual Environments. 2017. V. 26. № 3. P. 297–321. https://doi.org/10.1162/pres_a_00297
  28. Schütz M., Herzberger L., Wimmer M. SimLOD: Simultaneous LOD Generation and Rendering // ArXiv, abs/2310.03567. 2023. P. 1–12. https://doi.org/10.48550/arXiv.2310.03567
  29. NVIDIA Turing GPU Architecture // NVIDIA Corporation. 2018. https://images.nvidia.com/aem-dam/Solutions/design-visualization/technologies/turing-architecture/NVIDIA-Turing-Architecture-Whitepaper.pdf
  30. Sanzharov V.V., Frolov V.A., Galaktionov V.A. Survey of Nvidia RTX Technology // Programming and Computer Software. 2020. V. 46. № 4. P. 297–304. https://doi.org/10.1134/S0361768820030068
  31. Timokhin P.Y., Mikhaylyuk M.V. An Efficient Technology of Real-time Modeling of Height Field Surface on the Ray Tracing Pipeline // Programming and Computer Software. 2023. V. 49. № 3. P. 178–186. https://doi.org/10.1134/S0361768823030064
  32. Rusch M., Bickford N., Subtil N. Introduction to Vulkan Ray Tracing // Ray Tracing Gems II. NVIDIA. 2021. P. 213–255. https://doi.org/10.1007/978-1-4842-7185-8_16
  33. Sjoholm J. Best Practices for Using NVIDIA RTX Ray Tracing (Updated) // NVIDIA Technical Blog. Jul 25, 2022. https://developer.nvidia.com/blog/best-practices-for-using-nvidia-rtx-ray-tracing-updated/
  34. Lefrançois M.-K. Intersection Shader // NVIDIA Vulkan Ray Tracing Tutorials. 2020–2023. https://github.com/nvpro-samples/vk_raytracing_tutorial_KHR/tree/master/ray_tracing_intersection
  35. C++ reference. Containers library. Sequence containers. 2023. https://en.cppreference.com/w/cpp/container
  36. Vulkan 1.3.275 – A Specification (with all ratified extensions) // The Khronos Vulkan Working Group. 2024. https://registry.khronos.org/vulkan/specs/1.3-khr-extensions/pdf/vkspec.pdf
  37. Wong U., Whittaker W., Jones H., Whittaker R. NASA Planetary Pits and Caves Analog Dataset. 2014. https://ti.arc.nasa.gov/dataset/caves/

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Влияние параметра Kmax на среднюю частоту favg синтеза изображений, в кадрах в секунду (слева), и на число NAABBs ограничивающих параллелепипедов (справа). На приведенных графиках для осей Kmax и NAABBs используется логарифмическая шкала, а кривые a, b, c, d, e соответствуют облакам точек № 2, 4, 7, 8, 9 из табл. 1. На левом графике пунктирная горизонтальная линия обозначает нижний порог частоты 25 кадров в секунду, соответствующей визуализации в реальном времени

Скачать (266KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Примеры кадров визуализации, полученных с помощью нашего модифицированного визуализатора облаков точек. Изображения a) – г) соответствуют облакам точек № 2, 1, 6, 4 из табл. 1

Скачать (1MB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024