JP2021530005A - 現実世界環境における仮想オブジェクトの光線追跡反射の高速生成 - Google Patents

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Abstract

本開示は、現実世界環境に混合された光線追跡拡張オブジェクトを生成する高速方法を説明する。先行技術のレイトレーシングにおける加速構造が、動的整列構造（ＤＡＳ）の新しいデバイス、二次光線とシーン・ジオメトリとの間の交差を大規模な光線群で実行し、二次光線のコヒーレンス、高性能、及び低計算量を得るための手段によって置き換えられる。

Description

本発明は、計算量を低減してレイトレーシング（光線追跡）法を実行する新しく且つ改良された方法に関する。
拡張現実（ＡＲ）は、その要素がコンピュータ生成のグラフィックスによって拡張された物理的な現実世界環境のライブビューである。拡張オブジェクトに関する情報は、現実世界にオーバーレイされる。拡張は、従来はリアルタイムであって、環境的要素を伴う視覚背景である。高度なＡＲ技術を用いて、ユーザの周囲の現実世界についての情報は、対話型であってデジタル的に操作可能である。ＡＲはデジタルの世界の構成要素を人の知覚される現実世界に引き出すので、ユーザは、拡張オブジェクトの写実性のレベル及びそれらの現実環境との統合に依存して、拡張現実を体験し、対話する。
先行技術においては、ＡＲで使用されるグラフィックスは従来のラスタ技術に基づいていた。しかし、ラスタグラフィックスは、品質と速度とのトレードオフに起因して、速度を支持して非常に平凡である。その視覚背景は、反射、屈折、カラーブリーディング、コースティクス、等のような写実性の必要な要素を欠く。先行技術においては、レイトレーシングコンピュータ生成のグラフィックスを使用することによって可能にさせる、高品質のコンピュータ生成のリアリズムが映画業界で見られる。
レイトレーシングは、光線を追跡し、それらの仮想オブジェクトとの遭遇の効果をシミュレートすることによって画像を生成するためのコンピュータグラフィックス技術である。レイトレーシングの背景にある考え方は、点間の可視性を解決することによって、光線の様々なタイプのジオメトリとの交差を計算するための数学的解決策を見つけることである。この技術は、高い視覚的リアリズムを生じさせることを可能にする。低価格帯のレイトレーシングにおいては、光源は、シーンにおける唯一の照明オブジェクトである。
より現実的なイメージングは、大域照明に基づく、経路追跡と呼ばれる高価格帯のレイトレーシングによって実現される。大域照明は、光源から直接来る光だけでなく、反射するか否かに関わらず、光がシーンにおいて他のサーフィスから返される後続の場合をも考慮する。
モンテカルロレイトレーシングと呼ばれる経路追跡は、可能性のある光路のサンプルをランダムに追跡することによって３Ｄシーンをレンダリングする。画像における任意の所与のピクセルを繰り返しサンプリングすることによって、最終的にサンプルの平均がレンダリング方程式の正しい解に収束し、それは、現存する最も物理的に正確な３Ｄグラフィックスレンダリング方法の１つになる。経路追跡は、現実に忠実であって、写真（例えばアバターの映画）と区別がつかない画像を生成することができる。視覚的品質は、レイトレーシングより高いが、計算コストがはるかに高い。
先行技術のレイトレーシングにおける最も時間を費やすタスクは、加速構造のトラバース、及び光線とポリゴンとの間の交差テストである。全ての単一の光線が、加速構造（例えば、Ｋツリー又はＢＶＨツリー）に亘って横断し、交差する候補であるポリゴンを探索する。これらのトラバースは、時間を費やす大きいアクションになり、通常、画像生成時間の６０％〜７０％を必要とする。そして、検索に関連する全ての候補ポリゴンは、光線の経路に沿って最も早いヒットを決定するために、線−三角形交差テストを受ける必要がある。
先行技術のレイトレーシング法のレイアウトが図１に描写される。最初に、加速構造１０が構築される必要がある。構築は、前処理ステップとしてなされ、単一の画像を生成するよりはるかに多くの時間を必要とする。一般的に、構築時間はシーンのサイズに依存する。シーンが大きいほど、構築時間は長くなる。シーンにおける全ての大きい変更が、加速構造の再構築を必要とする。メモリサイズは、通常、加速構造によって２倍になる。光線１２の追跡は、各光線が光線と様々なシーンのオブジェクトとの間の交差を検索するために構造に亘って横断する場合の加速構造１１の大規模なトラバースに基づく。結果として生じる交差点は、明るくされ、テクスチャ化され、陰影１３を付けられ、画像ピクセルに集約される。
先行技術のレイトレーシングにおける加速構造の使用に関連する２つの大きい欠点がある。（ｉ）それらは、シーンの変化のために繰り返し再構築される必要がある。（ｉｉ）これらの構造のトラバースは、時間を費やす。両方の不利益が、ＡＲのリアルタイム要件と矛盾する。
従って、本発明の主な目的は、大域照明レイトレーシングの性能をリアルタイムまで加速し、それをＡＲに適するようにすることである。
本発明の他の目的は、レイトレーシングの計算量を低減することである。
本発明の他の目的は、レイトレーシングの電力消費を低減することである。
本発明の別の目的は、消費者向け計算デバイスの処理レベルによる大域照明レイトレーシングを可能にすることである。
本発明の幾つかの実施形態は、拡張現実（ＡＲ）と仮想現実（ＶＲ）との両方に適用される。ＡＲは、その要素がコンピュータ生成グラフィックスによって拡張される、物理的な現実世界環境のライブビューである。ＶＲは、現実世界をシミュレートされたものに置き換える。拡張は、従来はリアルタイムであって、環境的要素を伴う視覚背景である。ユーザの体験及び対話が、ＡＲ及びＶＲにおけるリアリズムのレベルによって直接影響される。
先行技術においては、拡張オブジェクトのイメージングは、その高速性に起因して、従来のラスタグラフィックスによって生じる。高度なＡＲ技術（例えば、コンピュータビジョン及びオブジェクト認識の追加）を用いて、ユーザの周囲の現実世界についての情報は、対話型になってデジタル的に操作可能になる。環境及びそのオブジェクトについての情報は、現実世界にオーバーレイされる。
しかし、通常のラスタグラフィックステクノロジは、画質及び現実世界環境との視覚背景において平凡である。所望の高品質のコンピュータ生成のリアリズムは、今日映画産業において見られることができ、大域照明レイトレーシング、すなわち経路追跡の使用によって可能にされる。残念なことに、それは非常に多い計算量のためにＡＲには適合さず、それは長い生産時間を生じ、高価な計算ファームを要求する。
本発明は、計算量及び消費電力を低減し、消費者向け計算デバイスの処理レベルに適する、経路追跡をリアルタイムで実現する革新的な方法を教示する。本発明の態様は、選択されたオブジェクトに集中して、プリセット環境に現実的にオーバーレイされるオブジェクトの写実的な画像を生成することを可能にする。
本発明の実施形態においては、先行技術の加速構造が、新しく且つ新規なデバイス、すなわち動的整列構造（ＤＡＳ）によって置き換えられる。ＤＡＳは、大規模な光線群における二次光線とシーン・ジオメトリとの間の交差を実行するための手段であって、高速化及び計算量の低減をもたらす。
図２は、本発明の経路追跡の段階を示す。先行技術（図１）と比較した場合の主要な差は、加速構造がないことである。これらの構造は、ＤＡＳデバイス２１によって置き換えられる。再構成のための前処理はなく、また加速構造のトラバースもない。
ＤＡＳは、既存のヒットポイントに関連する二次光線を搬送するために使用される光線の整列されたプロジェクションである。先行技術のように、単一のヒットポイント毎に（又は小さい一束の光線で）二次光線を個別に発する代わりに、出願人はまとめてそれを行い、コストを削減する。
類似の名称が類似の要素を表す添付の図面を参照しながら、本発明が、本明細書において非限定的な例としてのみ説明される。これらの図面は本発明の典型的な実施形態に関する情報を提供するにすぎず、従って範囲を限定すると見なされるべきではないことを理解されたい。
先行技術であって、レイトレーシングのブロック図である。 本発明のレイトレーシングのブロック図である。 先行技術であって、光線／オブジェクト交差の点において大域照明を生成する二次光線である。 ＤＡＳの基本機構である。 ランダムに変化する方向に発せられた複数のＤＡＳプロジェクションである。 連続ＤＡＳプロジェクションによってヒットポイントを生成する。 ２つの三角形及び２つの一次ＨＩＰからなるオープニングシーンである。 ＨＩＰに向かって発せられたＤＡＳ光線の初期セグメントである。 ＤＡＳ光線のメインセグメントは、ＨＩＰから発せられた二次光線を搬送する。 ＤＡＳはＨＩＰデータのみをレンダリングする。 ＤＡＳはシーン・ジオメトリをレンダリングする。ＤＡＳ光線の初期セグメントに沿ったオブジェクトは破棄される。 ＤＡＳのフローチャートである。 単一のＤＡＳプロジェクションによって搬送される二次光線の様々な場合である。 半反射面の現実の机において立つ拡張オブジェクトである。 拡張オブジェクトの直接イメージングである。一次光線はカメラから発せられ、様々な方向に傾斜される。 拡張オブジェクトの直接イメージングである。二次光線は、遠近プロジェクションの複数のＤＡＳ発射によって生成される。 拡張オブジェクトの直接イメージングである。二次光線は、平行プロジェクションの複数のＤＡＳ発射によって生成され、より大きいデータのレンダリングを保存する。 拡張オブジェクトの直接画像を生成するフローチャートである。 拡張オブジェクトの反射イメージングである。一次光線は、反射領域に発せられ、複数回繰り返されて傾斜される。 拡張オブジェクトの反射イメージングである。ＤＡＳプロジェクションによって搬送される二次光線は、一次ＨＩＰのクラスタを通してオブジェクトに発せられる。 拡張オブジェクトの反射イメージングである。複数のＤＡＳプロジェクションはランダムに傾斜される。 拡張オブジェクトの反射イメージングである。集約光エネルギーに対する二次光線の寄与は、ＢＲＤＦ関数に従う。 反射イメージングのフローチャートである。 その環境における一次光線の拡張オブジェクトのカラーブリーディング効果である。 その環境における二次光線の拡張オブジェクトのカラーブリーディング効果である。 カラーブリーディング効果を生成するフローチャートである。 ピクセルの原点においてサンプリングされた光値を収集する。 ＡＲ及びＶＲのためのハードウェアである。
本発明による装置の原理及び動作は、図面及び付随の説明を参照して理解されてもよく、異なる図面に現れる同様の構成要素は、同一の参照番号で示される。図面及び説明は、概念的なものにすぎない。実際には、単一の構成要素が、１つ以上の機能を実装することができ、或いは、各機能は、複数の構成要素及びデバイスによって実装されることができる。図面において一般的に説明及び例示される本発明の構成要素は、多種多様な異なる構成で配置及び設計されることができることが容易に理解されるであろう。この結果、図面に表されるような、本発明の装置、システム、及び方法の実施形態の以下のより詳細な説明は、主張されるように本発明の範囲を限定することが意図されるものではなく、単に本発明の実施形態を代表するものである。
特に記載されない限り、以下の考察から明らかなように、明細書の考察全体を通して、「処理」、「計算」、「算出」、「決定」、「生成」、又は「作成」、等のような用語を利用することは、コンピュータシステムのレジスタ及び／又はメモリ内の物理量、例えば電子量として表されるデータを、コンピューティングシステムのメモリ、レジスタ、又は他のこのような情報記憶デバイス、伝送デバイス若しくは表示デバイス内の物理量として同様に表される他のデータに操作及び／又は変換する、コンピュータ若しくはコンピューティングシステム、又はプロセッサ若しくは類似の電子コンピューティングデバイスのアクション及び／又はプロセスを参照することが理解される。
本発明の実施形態は、本明細書の動作を行うための、プロセッサ、コンピュータ、装置、システム、サブシステム、モジュール、ユニット、及びデバイスのような用語を（単一又は複数の形態で）使用する場合がある。これは、所望の目的のために具体的に構築されてもよく、又は、それは、コンピュータに記憶されたコンピュータプログラムによって選択的に作動又は再構成される汎用コンピュータを含んでもよい。本開示に具体的に関連する幾つかの技術用語が本明細書で画定される。
コンピュータグラフィックスパイプラインは、レイトレーシング及びレイキャスティングとは異なる、コンピュータ３Ｄレンダリング、３Ｄポリゴンレンダリングの最も一般的な形態を参照する。特に、レイキャスティングにおいては、光線が、カメラが存在する点で発生し、その光線がサーフェスに当たった場合には、光線が当たったサーフェスにおける点の色と照明が算出される。３Ｄポリゴンレンダリングにおいては逆のことが起こり、カメラの視野にある面積が算出され、そして、カメラの視野における全てのサーフェスの全ての部分から光線が作成され、カメラまで遡る。グラフィックスパイプラインは、通常、リアルタイムレンダリングで使用される。
プロジェクションをレンダリングすることは、３Ｄワイヤフレームモデルをコンピュータにおいてレンダリングする２Ｄ画像に自動的に変換する３Ｄコンピュータグラフィックスプロセスである。プロジェクションは、遠近、平行、逆、又は他の形状であることができる。
レンダリングターゲットは、フレームバッファ又はバックバッファの代わりに、３Ｄシーンを中間メモリバッファ又はレンダリングターゲットテクスチャ（ＲＴＴ）にレンダリングすることを可能にする現代のグラフィックスプロセッシングユニット（ＧＰＵ）の特徴である。そして、このＲＴＴは、検索を行い、又は最終画像に効果を適用するために、ピクセルシェーダによって操作されることができる。
一次光線は、可視性を解決するために、すなわち一次光線がサーフィスと交差するか否かを見つけるために、カメラ又は眼からシーンに投射される、レイトレーシングにおける第１の世代の光線である。
レイトレーシングにおける二次光線は、それらの光線−ポリゴン交差点において一次光線から生じる。それらは、影、反射、屈折、等のようなものを計算するために使用される。本明細書においては、出願人は、第３位の光線、第４の世代、等のような、全ての連続した世代にも一括して用語を使用する。
大域照明は、３Ｄシーンにより現実的な照明を追加することが意味される、３Ｄコンピュータグラフィックスで使用される一群のアルゴリズムの総称であって、光源から直接来る光（直接照明）だけでなく、同じ光源からの光線が、反射性か否かに関わらず、シーンにおける他のサーフェスによって反射される後続の場合（間接照明）をも考慮する。
コンピュータグラフィックスにおけるカラーブリーディングは、近くのサーフィスからの間接光の反射によってオブジェクト又はサーフィスが着色される現象である。これは、シーンが完全な大域照明でレンダリングされた場合に現れる可視性の効果である。
グリッド、オクトツリー、バイナリ空間分割ツリー（ＢＳＰツリー）、ｋｄツリー、ＢＶＨ（バウンディングボリュームヒエラルキー）のような高速構造は、可視性を解決するためにレイトレーシングにおいて使用され、加速構造を有しない単純なレイトレーシングと比較して、速度及び効率においてレンダリング時間の改善を可能にする。
ＧＰＧＰＵ（グラフィックスプロセッシングユニットにおける汎用コンピューティング）は、中央処理装置（ＣＰＵ）によって伝統的に扱われる用途において計算を行うために、コンピュータグラフィックスのみのための計算を、通常、扱う、グラフィックスプロセッシングユニット（ＧＰＵ）の使用である。
ＡＲにおけるプリセットシーンは、リアルタイムの世界を置き換える。拡張オブジェクトを含むための前処理された環境シーンである。
オブジェクトは、プリミティブ（ポリゴン、三角形、ソリッド、等）、又はプリミティブからなる複雑なオブジェクトを表すことができる。
ヒットポイントは、光線がオブジェクトと交差する点である。ＨＩＰとも呼ばれる。
可視性−ユークリッド空間において一連の障害物が与えられる場合に、その空間における２つの点は、それらを結ぶ線分が任意の障害物と交差しない場合に互いに対して可視性であると言われる。
シーン−カメラが配置されてもよい世界空間における３Ｄモデル及び光源の集まりであって、３Ｄレンダリングのためのシーンを説明する。シーンモデルの要素は、ジオメトリックプリミティブ、つまり点又は頂点、線分又は稜線、ポリゴン又は面を含む。
クリッピングは、コンピュータグラフィックスの文脈においては、画定された関心領域内でレンダリング動作を選択的に有効又は無効にする方法である。
本明細書に提示されたプロセス／デバイス及びディスプレイは、他に具体的に記載されない限り、任意の特定のコンピュータ又は他の装置に本質的に関連しない。様々な汎用システムが、本明細書の教示によるプログラムと共に使用されてもよく、又は、それは、所望の方法を行うためのより専門的な装置を構築することが便利であることを証明してもよい。様々なこれらのシステムのための所望の構造は、以下の説明において現れるであろう。加えて、本発明の実施形態は、任意の特定のプログラミング言語を参照して説明されない。様々なプログラミング言語が、本明細書に説明されるような本発明の教示を実装するために使用されてもよいことが理解されるであろう。
先行技術から転用して、本発明の態様は、計算量の低減と高速化との両方においてレイトレーシングを実装する方法を教示する。本発明の一態様は、大域照明に基づく高品質のレイトレーシングである、経路追跡に関する。その優れた性能は、光線とシーンオブジェクトとの間の交差を解決するための異なる技術的アプローチに由来する。それは、既存のヒットポイントから放出される二次光線を搬送するために使用される平行光線のプロジェクションである動的整列構造（ＤＡＳ）に基づく。ＤＡＳ機構は、ＧＰＵ（グラフィックスプロセッシングユニット）グラフィックスパイプライン又はＣＰＵ（中央処理装置）の何れかによって実装されることができる。機構は、先行技術における加速構造の高価なトラバースを置き換えて、従来のグラフィックス機構を使用することによって光線−三角形交差を解決することができる。
ＤＡＳ機構 一実施形態においては、ＤＡＳ機構は、大域照明に基づく経路追跡に適用される。大域照明（又は間接照明）は、光源から直接来る光だけでなく、鏡面反射、拡散反射、又は半反射性に関わらず、シーンにおけるサーフィスによって反射される光をも考慮する。図３は、所与のサーフィス点における周囲環境からの拡散相互反射のサンプリングを描写する。拡散サーフィスにおいて大域照明を達成するために、サンプリング光線は、ヒットポイント（ＨＩＰ）３３から発せられる必要がある。ＨＩＰは、光線（一次又はニ次）と三角形との間の先の遭遇の結果である。サンプリングは、半球３１の境界内でランダムな方向に光線を発することによってなされる。半球は、その北極がサーフィスの法線と整列するように配向される。
ＤＡＳの基本的機構が図４に示され、ＤＡＳが遠近プロジェクションと関連することが示されるが、平行又は逆のような他のプロジェクションが同様に考えられる。ＤＡＳ構造は、ＨＩＰのクラスタ、例えば、４０３、４０５、４０８を通過し、オブジェクトをターゲットにする光線のプロジェクションを含む。ＨＩＰに入射するＤＡＳ光線は、二次光線のための搬送波として使用される。例えば、ＨＩＰ４０８に付随的に入射するＤＡＳ光線は、二次光線４０６を搬送する。この光線は、ＨＩＰの半球４０７内にある。ＨＩＰ又は三角形に入射するＤＡＳ光線は、開始点４００からなり、２つの交差点を有してもよく、第１はＨＩＰ４０８を有し、第２はシーンオブジェクト（三角形）４０９を有する。同じＨＩＰ４０８に関連する追加の二次光線が、追加のＤＡＳ構造によって独立して生成されることができ、同じ半球内で他の方向に追加の二次光線を搬送する。
本発明の一実施形態によれば、ＤＡＳプロジェクションは、ＣＰＵソフトウェアグラフィックスパイプラインによって実装されることができるが、最も効率的なデバイスは、ＧＰＵハードウェアグラフィックスパイプラインである。この周知技術のコンピュータグラフィックスパイプラインは、３Ｄモデルをコンピュータが表示するものに変えるプロセスである。グラフィックスパイプラインは、２つのサブシステム、ジオメトリ及びラスタライズからなる。最初に、カメラ視野に従って、ＤＡＳ錐台内の全てのオブジェクトが、ジオメトリサブシステムによって変換される。そして、ラスタサブシステムにおいて、光線／三角形交差点が、Ｚバッファリング機構によって選択される。例えば、図４におけるＤＡＳ光線４０２は、プロジェクションの原点４００から発せられ、２つのオブジェクト、４０８及び４０９と交差する。これら２つのオブジェクトのいずれが選択されるかは、Ｚバッファリングを制御するＡＰＩディレクティブ（Ｄｉｒｅｃｔ３Ｄ又はＯｐｅｎＧＬ）に依存する。
それらの下にある三角形を有する３つの既存のＨＩＰ４０５、４０８、及び４０３の例示的なクラスタが示される。ＨＩＰ４０５、４０８の二次光線は、ＤＡＳ構造によって推進される。例として、搬送波光線４０２は、ＨＩＰ４０８に入射する。ＨＩＰとの遭遇から以降は、それは、ＨＩＰに関連する二次光線４０６となり、交差４０９を探索する。ＤＡＳは、４０５及び４０８のようにそれらの半球がプロジェクションの方向に配向されるＨＩＰにのみ関連するが、４０３には関連しない。ＤＡＳ法は、数学的に以下のように表現される。
Ｔを、ｄレベルのツリーグラフとし、Ｖを、空間におけるジオメトリＧの上部のその頂点とする。
レベルｄにおけるＶ内の頂点であるＶｄを画定する。
Ｃｄを、Ｖｄのクラスタへの分割とする。
Ｖｄ＋１を見つけることによって、Ｔをｄ＋１レベルに広げる。
Ｖｄｃの頂点を有するクラスタｃ∈Ｃｄを選択し、Ｖｄ＋１ｃがＧの上部のＶｄｃにおける頂点のプロジェクションであるように、ＶｄｃからＶｄ＋１ｃへの一連のマッピングであるＬｃを画定する。
Figure 2021530005
・Ｌｃは同じ入力からの一連のマッピングのセットであるので、任意の入力頂点のための複数のターゲット頂点が存在することに留意すべきである。
全ての頂点ｖ∈Ｖｄｃを、
Figure 2021530005
における全ての可能なジオメトリｇ∈Ｇに投影する代わりに、
Figure 2021530005
における全てのクラスタｃ∈Ｃｄに全ての可能なジオメトリｇ∈Ｇを投影する。
・Ｒ３においては、高速マッピング（プロジェクション）を並行して達成するために、従来の３Ｄグラフィックスパイプライン（ラスタハードウェア）を利用することができる。
スループット／オーバーフィットにおけるＣｄ／Ｌｃを最適化して、
・クラスタ当たりの平均の最大頂点数（スループット）
・全ての頂点にフィットする（オーバーフィットする）ジオメトリの最小（離散）プロジェクション数
・前処理／実行時間制約
を有する。
Ｌｃは、物理的シナリオをシミュレートするために各ｖ∈Ｖｄｃのための可能な分布セグメントを表す擬似ランダム出力を有するように選択される。
複数のＤＡＳプロジェクションが、僅かに異なる方向でシーン又はその一部に発せられ、各方向は、ランダムに取られることができる。結果として、大域照明のために、近隣の複数のサンプルが、各ＨＩＰにおいて取られることができる。これが図５において例示される。ＨＩＰ５０７は、画像ピクセル５００から発せられた、一次光線５０８によって作成された一次ヒットポイントである。３つの後続のＤＡＳプロジェクション−５０１、５０２、及び５０３が、ＨＩＰ５０７を訪れる。各ＤＡＳは、ＨＩＰ５０７のために１つの二次光線を搬送する。３つの二次光線の各々は、環境から、すなわちサーフィス５０４、５０５、及び５０６からそれぞれ異なるサンプルを実現する。
連続ＤＡＳプロジェクションによって生成されるＨＩＰを利用するための様々な方法があってもよい。図６に示される一実施形態によれば、全ての新しく生成されたＨＩＰがそれらのデータに寄与する。この例においては、４つの連続ＤＡＳプロジェクションが使用される。６０１が、画像ピクセル６００からの一次発射によって以前に生成された一次ＨＩＰであると仮定すると、その第１の後続ＨＩＰ６０２は、第１のＤＡＳプロジェクションの生産物である。異なる方向を有する第２のＤＡＳプロジェクションは、ＨＩＰチャイルド６０３及び６０４を生成する。第３のＤＡＳプロジェクションは、ＨＩＰ６０５、６０６、及び６０７を生成する。そして、第４のＤＡＳプロジェクションの結果として、１つのチャイルドＨＩＰ６０８が生成される。全てのＨＩＰからの光サンプリングは平均化され、画像ピクセル６００のためのレンダリング方程式の正しい解に収束される必要があり、例えば、６０８及び６０５は６０３に収束し、６０３は６０２に収束し、６０２は次に６０１に収束する。最後に、一次ＨＩＰ６０１は、その全てのチャイルド６０２、６０４、及び６０７の集約サンプル値を収束し、結果が、ピクセル６００に、他の一次ＨＩＰのうちのピクセルへの部分的寄与として入る。全ての収束のための正しいレンダリング方程式が、最終的には物理的に正確な画像を生成する。
二次光線は、図７ａ〜図７ｃに示されるように、シーンオブジェクトと交差することが意味される。図７ａは、２つの三角形７１１、７１２、及び２つの一次ＨＩＰ７１３、７１４からなる初期シーンを示す。図７ｂにおいては、ＤＡＳプロジェクション７２１がＨＩＰに向かって発せられる。ＨＩＰ７１４は反対方向を向くので、それは現在のＤＡＳから除外される。プロジェクションと確実に整列したＨＩＰ７１３は二次光線を起動させる。更に図７ｃに示されるように、ＨＩＰ７１３に関連する搬送波光線は、２つの部分、初期セグメント７３１及びメインセグメント７３２に分割される。初期セグメント７３１は、ＤＡＳ原点からＨＩＰ７１３に延伸する。その機能は、ＨＩＰ及びその深度を特定することである。深度ＺＨＩＰが見つかると、ＨＩＰから交差点７３３に向かうメインセグメントは、交差を検索する、二次光線のための搬送波の役割を果たす。それは、二次ＨＩＰを生成する、７３３においてオブジェクトに当たる。
本発明の一実施形態によれば、ＤＡＳプロジェクションは、図８ａ及び図８ｂに例示されるように、ＧＰＵのＺバッファリング機構を利用する。Ｚバッファリング機構は、常時ＨＩＰの前のオブジェクトを破棄する必要があり、ＨＩＰ以降からのみオブジェクトの探索を開始する。それは、ＧＰＵのＺバッファリング機構、例えば、ＯｐｅｎＧＬのグラフィックスライブラリの関数ｇｌＤｅｐｔｈＭａｓｋの選択的使用に基づく。これは、２つの別個のレンダリングパスにおいてなされる。第１のパスにおいては、ＨＩＰは、シーンにおける唯一のオブジェクトとしてレンダリングされ、ジオメトリックデータを無視し、ＨＩＰデプスマスク（ＨＩＰ ｄｅｐｔｈ ｍａｓｋ）を生成する。第２のパスにおいては、ＨＩＰデプスマスクが、シーン・ジオメトリをレンダリングするために使用される。第１のパスは、図８ａに示される。ＨＩＰ８１１とオーバーレイする搬送波光線８１２は、２つのセグメントに分割され、２つのパスにおいて処理される。第１のパスの間にレンダリングされた初期セグメントは、カメラ８１３からＨＩＰまで延伸する。ＨＩＰの深度値ＺＨＩＰは、ＨＩＰデプスマスク８１０に登録される。深度値は、後の使用のために、第２のパスの間に、ＨＩＰへの途中の全てのオブジェクトを除外するために保持される。第２のパス（図８ｂ）においては、ジオメトリックデータは、深度ＺＨＩＰ（８１１）において開始してレンダリングされ、例えば、三角形８２５は無視される。メインセグメント、二次光線の搬送波は、８２３において三角形に当たる。第２のパスの結果は、レンダリングターゲット８２０に記憶される。ＨＩＰを逃す光線は完全に破棄され、全体として初期セグメントと見なされる。レンダリングターゲットが完成すると、ＤＡＳ搬送波光線のｕ、ｖ座標においてレンダリングターゲットを検査することによって、正確な光線／三角形交差点８２３が見つけられる。交差の三角形は、色、光、法線、材料、等のような重要なデータを実現する。
図８ｃにおけるＤＡＳのフローチャートは、ＤＡＳ機構を生成して使用する方法を要約する。ＤＡＳプロジェクションは、ＨＩＰのための二次光線を生成するために、オブジェクト（例えば、拡張オブジェクト）又はサブシーンをターゲットにし、ＨＩＰのクラスタを通過する。ＤＡＳは２回発せられる。１回目は、ＨＩＰデータのみに発せられ、シーンのジオメトリックデータを無視し、ＨＩＰデプスマスクを生成する（８３１）。２回目は、同一のＤＡＳプロジェクションが発せられる（８３２）。この回は、シーンのジオメトリデータがレンダリングされ、ＨＩＰデータを無視する。デプスマスク８１０は、二次光線の開始点に用いられる。二次光線は、ＤＡＳプロジェクションにおいて推進し、ジオメトリックデータとの交差を探索する。レンダリング結果、レンダリングターゲット、３Ｄサブシーンの２Ｄプロジェクションは、基本的に、二次光線とシーンのジオメトリックデータとの間の全ての交差点における集合である。特定のＨＩＰに直接関連する交差点が、ＨＩＰの座標ｕ、ｖと一致する、レンダリングターゲットにおける座標ｕ’、ｖ’を検索することによって見つけられることができる。交差点における色値及び光値が、ＨＩＰにフィードバックされ、大域照明のサンプルを実現する（８３３）。最後に、交差点は、次世代のＨＩＰとしてＨＩＰリポジトリに記憶される（８３４）。
二次光線の様々な場合が図９に示され、全てが単一のＤＡＳプロジェクションによって搬送される。光線９００は、２つのセグメントからなる。カメラ９０９からＨＩＰ９０３まで延伸する初期セグメントは、三角形９０６を破棄し、一方、メインセグメントは、交差点９０５において三角形９０７に遭遇する。光線９０２の二次セグメントはオブジェクトに当たらない。光線９０１は、一次ＨＩＰに遭遇せず、従って、それは、その全体において初期セグメントと見なされ、三角形９０８を無視する。
本発明のＤＡＳ機構は、他の分野の中で、ＡＲにおいて実装可能である。その実施形態のうちの１つは、シーンにおける１つ以上のオブジェクトのレンダリング、及び拡張オブジェクトと現実環境との間の完全な統合に焦点を合わせた、局所経路追跡を可能にする。図１０は、半反射面１０７の現実の机に立つ拡張オブジェクト、仏像１０１の例を示す。像の写実的な外観を生成するために必要とされるものは、オブジェクト１０１の画像だけではなく、その反射１０２でもある。拡張オブジェクトがその現実環境に及ぼす場合がある影響は、プリセット環境を変更する反射、影、及びカラーブリーディングをもたらす。一方、拡張オブジェクトにおける環境の影響は、オブジェクト自体の照明及び反射をもたらす場合がある。
本発明の一実施形態によれば、オブジェクトの画像及び環境内のオブジェクトの反射が、２つの別個のタスクによって生成され、統合された結果が、画像ピクセルに供給される。
拡張オブジェクトの直接イメージング 拡張オブジェクトの基本的画像は、オブジェクトのサーフィスを覆うまさに一次ＨＩＰから再構築されることができる。しかし、オブジェクトにおいて反射された環境のような画像における大域照明効果のために、オブジェクトからその環境に発せられる二次光線が要求される。拡張オブジェクト１１０のレンダリングタスクが、図１１に示される。簡単にするために、それは２Ｄ図面において説明される。カメラ１１３は、拡張オブジェクトに一次光線１１４を発し、オブジェクトとの交差を探索する。これらの交差点がＨＩＰになり、大域照明のための二次光線の開始点として使用されることが意味される。
一次光線の発射は、各々が僅かな方向の変化を伴って繰り返されて、画像ピクセルにおけるマルチサンプリングが達成される。方向の変化は、画像における不要なパターンを防ぐためにランダムになされる。マルチサンプリングは、アンチエイリアス処理された画像品質に貢献する。図１１においては、３つの一次発射１１５、１１６、及び１１７が示される。
シーンにおける拡張オブジェクトの忠実で統合された外観が、大域照明によって達成される。大域照明に関連する環境は、一次ＨＩＰからシーンの関連部分に向けて発せられた二次光線によってサンプリングされる。オブジェクトが反射性の場合には、シーンの関連する部分は、オブジェクトにおける反射によるカメラからの可視性の部分である。
例えば、このような関連する部分は、オブジェクトにおけるその反射がカメラ１２７から見られることができるので、図１２ａのサブシーン１２３になることができる。
二次光線は、図１２ａのような遠近プロジェクション又は図１２ｂのような平行プロジェクションの何れかのＤＡＳ構造によって生成される。図１２ａにおいては、ＤＡＳプロジェクションは、一次ＨＩＰ（例えば１２８）を通過し、サブシーン１２３をターゲットにする。
全ての連続ＤＡＳプロジェクションは同じサブシーン１２３をターゲットにするので、このサブシーンはフルシーンから切り出されることができ、低減された領域内でのレンダリング動作を選択的に可能にし、この結果、レンダリングプロセスを最小限にする。
複数のＤＡＳプロジェクションの各々は、僅かに異なる視点から異なる方向にランダムに生成され、各ＨＩＰにおいて複数の二次光線を生成する。ランダム性の使用が、画像における不要なパターンの出現を防ぐ。二次光線は、ＨＩＰのための大域照明をサンプリングし（図３、３１）、オブジェクトと環境との間を統合する。サンプリングされた照明は、オブジェクトの材料及びその鏡面性又は拡散性のレベルに応じて画像に影響を与え、例えば、オブジェクトが反射性又は部分的に反射性の場合には、オブジェクトにおける環境の反射又はまさに背景照明量をもたらし、拡散性の場合には、環境に対するオブジェクトの反応を作成する。
ＤＡＳのプロジェクションの数が多いほど、大域照明のカバーが向上する。しかし、プロジェクションの数が多くすると、性能が低下する場合がある。従って、画質と性能との間にはトレードオフがある。
拡張オブジェクトの直接画像を生成する方法が、図１２ｃのフローチャートに要約される。最初に、複数の一次プロジェクションが、一次ＨＩＰのクラスタを生成するために、拡張オブジェクトにカメラ（目、視点）から発せられる（１２３１）。そして、二次光線によってターゲットにされるシーンの部分が画定されるべきであり、場合によりサブシーンとして切り取られるべきであり（１２３２）、ＤＡＳプロジェクションのための基準点が選択されたサブシーンに従って設定される必要がある（１２３６）。そして、複数のＤＡＳプロジェクションによって生成された二次光線が関連するサブシーンに発せられる（１２３３）。ＤＡＳプロジェクションの結果は、決定されたサブシーンのレンダリングターゲットテクスチャである。二次光線と決定されたサブシーンとの間の交差点のための探索は、関連する一次ヒットポイント及びレンダリングターゲットテクスチャの座標を一致させることによってなされる（１２３７）。
各一次ＨＩＰに、その二次光線と遭遇する三角形との間の対応する交差点の光値が供給される（１２３４）。上記の手順は、複数のサブシーンが必要とされる場合に繰り返すことができる。そして、最後に、交差点が新世代のＨＩＰとしてＨＩＰリポジトリに追加される（１２３５）。全ての一次ヒットポイントから集約された、色値及び光値の処理されたサンプルが、画像のピクセルに収束され、３次元シーンの影響を受ける拡張オブジェクトのフル画像を作成する。
拡張オブジェクトの反射 環境アイテムにおけるオブジェクトの画像の反射は、カメラからシーンにおけるサーフィスに光線を辿り、そして、拡張オブジェクトに向かって跳ね返ることによって達成される。光沢のあるサーフィス又はタイルにおける反射は、３Ｄレンダリングの写実的な効果を高める。反射の程度は、サーフィスの反射率（材料のＢＲＤＦ）に依存する。
最初に、拡張オブジェクトを反射する場合がある現実のシーンにおける反射面又は半反射面（若しくはアイテム）が識別される必要がある。そして、出願人は、オブジェクトが反射されることが意図されるサーフィス又はその一部に一次光線を発し、一次ＨＩＰを生成する。これらのＨＩＰから、出願人は、拡張オブジェクトをターゲットにしてサンプリングする二次光線を発する。反射を生成するこの方法は、図１３ａ及び図１３ｂに例示される。意図された反射領域をカバーする一次ＨＩＰは、カメラ１３３から画像スクリーン１３０を通って反射領域１３４に向かって発せられる一次光線によって作成される。サーフィス１３２における反射領域１３４の位置及び境界は、カメラの位置、拡張オブジェクト１１０の距離及びサイズ、並びにスネルの法則による主方向１３１の考慮に従って決定される。画像ピクセルにおけるマルチサンプリングのために、一次発射が複数回繰り返される。画像の各ピクセルが複数のサンプルを得るように、各連続回、一次プロジェクションは主方向からランダムに僅かに外れる。反射領域１３４のサーフィスは、高密度の一次ＨＩＰのアレイによって覆われるようになる。マルチサンプリングのランダム性は、結果として生じる画像における不要なパターンを防ぐ。
図１３ｂは、二次光線による反射画像の生成を説明する。サーフィス１３２における拡張オブジェクト１１０の反射は、オブジェクトに二次光線を発することによって集められた一次ＨＩＰにおけるサンプリングされたデータから再構成される。出願人は、サーフィス１３２におけるカメラ１３３の反射であるジオメトリック点１３６を、複数のＤＡＳプロジェクションのための基準点として使用する。各プロジェクションは、基準点１３６からランダムに外れる異なる点から発せられる。
図１３ｂに示されるＤＡＳ１３５は、拡張オブジェクト１１０の中心を向いている軸線１３９に沿って向けられた基準点１３６から始まる。ＤＡＳは、全てが一次ＨＩＰ（例えば１３７）において開始して拡張オブジェクトをターゲットにする、二次光線１３８を搬送する。
ＨＩＰにおいてＢＲＤＦ関数のスペクトルサンプリングを行うために、複数のＤＡＳプロジェクションは、基準ＤＡＳプロジェクション（基準点において開始し、拡張オブジェクトの中心に向けられたプロジェクションの軸線を有するもの）からランダムに外れる。基準ＤＡＳからの傾斜は、図１４ａに示されるように、ランダムになされて基準点１４２及び中心軸線１４５から僅かにはずれる。３つのＤＡＳプロジェクションが示される。
基準ＤＡＳが正確に基準点１４２において始まり、その軸線１４５が中心方向を取ると仮定すると、２つの他のＤＡＳプロジェクションは近くの点１４１及び１４３において開始し、それらの軸線１４４及び１４６は中心方向１４５から外れる。例として、出願人は、ＨＩＰ１４０を選択し、それから３つのニ次光線１４４、１４５、及び１４６が発せられ、各々が異なるＤＡＳによって搬送される。
基準ＤＡＳからのＤＡＳ二次光線の外れと、その集約された光エネルギーへの寄与との間の関係が図１４ｂに示される。それは、サーフィスの材料１３２のＢＲＤＦ関数１４７と強く関連する。３つの二次光線１４４、１４５、及び１４６の各々は、異なる方向に同じＨＩＰから発せられ、図３の半球によって境界が定められる。結果として、そのサンプリングされたデータは、ＢＲＤＦ関数に従って、集約された光エネルギーに寄与する。二次光線１４５が正確なスネル方向に進むと仮定すると、そして、それがＢＲＤＦ関数１４７のピークにおいて最大の寄与をもたらす。二次光線１４４及び１４５は、ピークからの距離におけるＢＲＤＦ値に依存して、より小さい寄与を有する。
拡張オブジェクトの反射画像を生成する方法が、図１４ｃのフローチャートに要約される。最初に、拡張オブジェクトが反射するべきである現実のシーンにおける領域が決定される（１４３１）。そして、複数の一次プロジェクションが反射領域にカメラから発せられ、一次ＨＩＰのクラスタを生成する（１４３２）。次に、ＤＡＳプロジェクションのための基準点としての反射されたカメラの位置、及び拡張オブジェクトに向けられた中心軸線が、算出される必要がある（１４３３）。そして、ＤＡＳによって生成される二次光線はオブジェクトに向かって発せられる。複数のＤＡＳプロジェクションはランダムに傾斜され、基準ＤＡＳから外れる（１４３４）。次に、交差点においてサンプリングされた光値は、それらのそれぞれのＨＩＰの原点に供給される（１４３５）。最後に、交差点が新世代のＨＩＰとしてＨＩＰリポジトリに追加される（１４３６）。これらのＨＩＰは、更なる世代の二次光線を生じさせるために役立つことができる。
カラーブリーディングは、近くのサーフィスからの間接光の反射によってオブジェクト又はサーフィスが着色される現象である。あるサーフィスに到達する照明が光源からまさに直接来るだけでなく、光を反射する他のサーフィスからも来るという意味で、これは大域照明アルゴリズムである。カラーブリーディングは、視点に依存せず、全ての視点のために有用である。ＡＲ又はＶＲにおけるカラーブリーディング効果は、拡張オブジェクトの直ぐ近くで生じる。本発明の一実施形態によるブリーディング効果を生成する例が図１５ａに例示される。基板１５２において立つ、拡張オブジェクト１５４は、現実の基板１５２においてカラーブリーディング効果を作成することになる。最初に、出願人は、カラーブリーディングが出現する拡張オブジェクトの中心の周りにカラーブリーディングパッチの境界を画定する。パッチのサイズは、関係する材料、距離、及び光量に依存する。そして、出願人は、拡張オブジェクトの不存在の状態で、パッチ１５５にカメラ１５３から一次光線を発する。パッチをカバーする一次ＨＩＰのクラスタが作成される。一次発射は、各回、主方向１５１から僅かに外れて、複数回繰り返される。主方向１５６は、カメラからオブジェクトの立ち位置の中心に向かう。
図１５ｂは二次光線の使用を例示する。カラーブリーディング効果は、一次ＨＩＰからオブジェクトに向かって発せられる二次光線によってオブジェクトをサンプリングすることによって再構築される。二次光線は、ＤＡＳプロジェクションによって生成される。ＤＡＳプロジェクションは、拡張オブジェクトの反射又は直接イメージングの場合とは異なり、逆プロジェクション１５６の形状を得る。各回、主方向から僅かに外れて、複数のＤＡＳプロジェクションがなされる。正しいレンダリング方程式が使用されることを仮定すると、オブジェクトのサーフィスのサンプルが、基板から取得され、基板におけるエネルギー量の算出を可能にする。
カラーブリーディングを生成する方法が、図１５ｃのフローチャートに要約される。最初に、シーンにおけるカラーブリードパッチの位置及びサイズが画定される（１５３１）。そして、複数の一次プロジェクションが、一次ＨＩＰのクラスタを生成するために、カラーブリーディングパッチにカメラから発せられる（１５３２）。次に、ＤＡＳプロジェクションの中心における基準点が算出され（１５３３）、同様に、逆プロジェクションの要求される形状が算出される（１５３４）。そして、二次光線が、各々がＤＡＳプロジェクションの中心からランダムに外れる複数のＤＡＳプロジェクションによって発さられ（１５３５）、交差点の光値が、一次ＨＩＰに供給される（１５３６）。カラーブリーディングにおいては、これが唯一の世代のＨＩＰである。
光値の収集 ＨＩＰにおける全てのサンプルの値は、物理的に正確な結果のための正しいレンダリング方程式によって処理される必要がある。考慮されるパラメータは、サーフェスの材料、シーンのジオメトリ、半球のアクティブ領域、及びその他である。特定の画像ピクセルのために、ピクセルからの一次発射によって生成された全てのＨＩＰ、及びそれらの全ての二次後続要素の光の寄与は、画像のためのソースピクセルに集約され、処理され、収束される必要がある。図１６に示されるように、オブジェクトからの及びその環境からのサンプリングは、画像ピクセル１６４に収束される。ピクセルは、拡張オブジェクトからのサーフィスにおける一次ＨＩＰ１６５から入力を受け取り、次にその連続した世代から値を収集する。ピクセルは、その上、反射ＨＩＰ１６１及びその連続世代から入力を受け取る。１６５及び１６１の処理結果は重み付けされ、そして画像ピクセル１６４に集められる。
実装 本発明の核心はＤＡＳ機構である。経路追跡において実装される場合に、それは二次光線を生成し、それらのシーンオブジェクトとの交差を位置付けるが、先行技術の加速構造の使用を除外する。従来のラスタグラフィックスパイプラインに基づくＤＡＳ機構は、ＧＰＵハードウェアパイプライン又はＣＰＵソフトウェアパイプラインの何れかによって実装可能である。ＧＰＵの並列構造によって、汎用ＣＰＵよりグラフィックスパイプラインが効率的である。ＧＰＵは、グラフィックスパイプラインを加速するように設計された特殊用途の電子回路である。ＣＰＵがシーケンシャルシリアル処理に焦点を合わせた少数のコアで構成される場合に、ＧＰＵは、マルチタスク用に設計された何千もの小さいコアを搭載する。グラフィックスプロセッサには、主に統合型とディスクリートの２種類がある。ＤＡＳは、システムにおける別個の構成要素（ディスクリートＧＰＵ）又はＣＰＵダイにおける組み込みＧＰＵ（統合型ＧＰＵ）の何れかによって利用されることができる。統合型ＧＰＵは、組み込みシステム、携帯電話、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、及びゲーム機において使用される。
上記で詳細に説明されたように、プリセットシーン内で拡張オブジェクト及びそれらの視覚背景を作成するコンピューティングタスクは、大部分がグラフィックスパイプラインに基づく。これらのタスクのために、ＧＰＵの使用は大きい利点である。大域照明のサンプリング値を収集し、これらの値をレンダリング方程式に従って処理し、その結果を画像ピクセルに収束させるという追加のタスクがまたある。従来の処理と関連する収集タスクは、ＣＰＵ又はＧＰＧＰＵの何れかによって実装されることができる。図１７に示されるように、ユーザの視覚装置１７１に関連する追加のタスクがまたある。拡張現実のために、それらは、着用者が見るものと並行して又は見るものに情報を追加するウェアラブルコンピュータメガネである。通常、これは、光学ヘッドマウントディスプレイ（ＯＨＭＤ）又は透明ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）若しくは投影されたデジタル画像を反射する機能を有するＡＲオーバーレイを有する組み込み型無線眼鏡を介して達成され、それを通してユーザが見ることを可能にする。仮想現実のために、視覚装置１７１は、着用者のために仮想現実を提供する仮想現実ヘッドセットを表すことができる。ＶＲヘッドセットは、コンピュータゲームで広く使用されるが、それらはまた、シミュレータ及びトレーナーを含む他の用途で使用される。それらは、立体的なヘッドマウントディスプレイ（各目に別々の画像を提供する）、ステレオサウンド、及びヘッドモーショントラッキングセンサを備える。いずれにしても、構成要素１７１は、通常、ＣＰＵによって実装されるＡＰＩソフトウェアによってコンピューティングプラットフォームにインターフェースで接続される必要がある。
その結果、本発明の実施形態は、図１７に一般的に示されるように、ＣＰＵとＧＰＵとの組み合わせ実装を要求する。ＧＰＵは、ディスクリートグラフィックス、統合型グラフィックス、又は両方の組み合わせ（ディスクリートグラフィックスと協力する統合型グラフィックス）を表してもよい。
統合型グラフィックスは、ＧＰＵがＣＰＵダイに統合され、プロセッサとメモリを共有することを意味する。統合型ＧＰＵはシステムＲＡＭに依存するので、それらは、それらのディスクリート対応部品の計算能力を有せず、それらは、それら独自のカードに含まれ、それら独自のメモリ、ＶＲＡＭを搭載する。統合型ＧＰＵは、ＶＲＡＭとＣＰＵコアとの間のディスクリートグラフィックスカードと比較して、システムＲＡＭからのより低いメモリ帯域幅を有する。この帯域幅は、メモリバスと呼ばれるものであって、性能を制限する可能性がある。また、ＧＰＵは極めてメモリを消費するので、統合型プロセッシングは、最小限度のビデオメモリを有し、又は専用のビデオメモリを有さないので、相対的に遅いシステムＲＡＭのためにＣＰＵと競合する場合がある。最高のグラフィックス性能を可能にするためには、ディスクリートグラフィックスチップが、統合型ＧＰＵより優れる。
一方で、マルチコアチップにおけるグラフィックススコアは、ビッグデータを交換するためにＣＰＵコアと良好に協働することができるので、同じＲＡＭメモリを共有することがまた利益になることができる。イメージングオブジェクト、反射、カラーブリーディングの純粋なグラフィックスタスクは、ＣＰＵコアによるレンダリング方程式のために収集及び算出される必要がある、光値のビッグデータを生じさせる。
しかし、ディスクリートＧＰＵの性能上の利点にもかかわらず、そのより良好な電力効率、手頃な価格、可搬性、及び汎用性のために、拡張現実、仮想現実、及びコンピュータゲームのような用途における本発明の実装のために統合型ＧＰＵを使用することが望ましい。マルチコアＣＰＵチップの構成要素としての統合型ＧＰＵは、組み込みシステム、携帯電話、タブレット、及びゲーム機において使用される。
ディスクリートＧＰＵ又は統合型ＧＰＵを使用することに加えて、また、タスクに依存して、協働し且つ交互に行うディスクリートＧＰＵ及び統合型ＧＰＵを有するハイブリッドシステムを使用する代替手段がある。

Claims (93)

  1. レイトレーシングのためのグラフィックスパイプライン機構を利用して、３次元シーンにおいて拡張オブジェクトを作成するための方法であって、
    ａ）前記拡張オブジェクトに一次レンダリングプロジェクションを発し、一次ヒットポイントのクラスタを生成するステップと、
    ｂ）二次光線によってターゲットにされるサブシーン空間を決定するステップと、
    ｃ）二次レンダリングプロジェクションのための基準点を設定するステップと、
    ｄ）各回の場合に、
    １）前記基準点の近傍から前記一次ヒットポイントのクラスタを通して二次レンダリングプロジェクションを発し、前記決定されたサブシーンのレンダリングターゲットテクスチャを生成し、
    ２）前記二次光線の前記サブシーンとの交差点を探索し、
    ３）次世代の二次光線のために前記交差点を保存し、
    ４）前記交差点において光値をサンプリングし、
    ５）前記一次ヒットポイントに前記サンプリングされた値をフィードバックする
    ことを複数回繰り返すステップであって、各回において、前記二次レンダリングプロジェクションを傾斜させる、ステップと、
    ｅ）前記一次ヒットポイントにおいて集約値を処理するステップと、
    ｆ）前記処理結果を画像ピクセルに収束させるステップと
    を含む方法。
  2. 前記一次レンダリングプロジェクションは、前記グラフィックスパイプラインによってなされる、請求項１に記載の方法。
  3. 少なくとも１つのサブシーンが、前記３次元シーンの一部として選択される、請求項１に記載の方法。
  4. 各サブシーンが、別個の一連の二次光線によってターゲットにされる、請求項３に記載の方法。
  5. 異なる基準点が、各サブシーンのために設定される、請求項３に記載の方法。
  6. 前記二次レンダリングプロジェクションのシフトはランダムになされる、請求項１に記載の方法。
  7. 前記二次レンダリングプロジェクションは遠近形状である、請求項１に記載の方法。
  8. 前記二次レンダリングプロジェクションは平行形状である、請求項１に記載の方法。
  9. 前記二次レンダリングプロジェクションの結果は、前記決定されたサブシーンのレンダリングターゲットテクスチャである、請求項１に記載の方法。
  10. 前記二次光線と前記決定されたサブシーンとの間の交差の探索が、前記一次ヒットポイントと前記レンダリングターゲットテクスチャとの座標を一致させることによってなされる、請求項１に記載の方法。
  11. 前記保存された二次光線の交差点は、前記次世代の二次光線のための一次ヒットポイントのクラスタとして機能することができる、請求項１に記載の方法。
  12. 全ての前記一次ヒットポイントから集約された前記処理された色値及び光値のサンプルは前記画像ピクセルに収束され、前記３次元シーンの影響を受ける前記拡張オブジェクトのフル画像を作成する、請求項１に記載の方法。
  13. グラフィックスパイプラインを利用して、３次元シーンにおける拡張オブジェクトをレイトレーシングするためのシステムであって、前記システムは、
    メモリを有する少なくとも１つのグラフィックスプロセッサと、
    メモリを有する少なくとも１つの汎用プロセッサと、
    前記３次元シーンのジオメトリックデータベースと、
    レンダリングターゲットメモリと
    を備え、実行時に、
    ａ）グラフィックスプロセッサは、拡張オブジェクトに一次レンダリングプロジェクションを発し、一次ヒットポイントのクラスタを生成し、
    ｂ）サブシーン空間が、二次光線によってターゲットにされるように決定され、
    ｃ）二次レンダリングプロジェクションのための基準点が設定され、
    ｄ）二次レンダリングプロジェクションは、各回において傾斜して、複数回繰り返され、各回の場合に、
    １）二次光線が、前記二次レンダリングプロジェクションを利用して生成され、前記二次レンダリングプロジェクションは、前記一次ヒットポイントのクラスタを通して前記基準点の近傍から発せられ、前記サブシーンのレンダリングターゲットテクスチャを生成し、
    ２）前記二次光線の前記サブシーンとの交差点が探索され、
    ３）前記交差点は、次世代の二次光線のために保存され、
    ４）光値が、前記交差点においてサンプリングされ、
    ５）前記サンプリングされた光値は、前記一次ヒットポイントにフィードバックされ、
    ｅ）前記サンプリングされた光値は、前記一次ヒットポイントのために集約されて処理され、
    ｆ）前記サンプリングされた光値の処理結果は、画像ピクセルに収束される
    システム。
  14. 前記一次レンダリングプロジェクションは、前記グラフィックスパイプラインによってなされる、請求項１３に記載のシステム。
  15. 少なくとも１つのサブシーンは、前記３次元シーンの一部として選択される、請求項１３に記載のシステム。
  16. 各サブシーンは、別個の一連の二次光線によってターゲットにされる、請求項１５に記載のシステム。
  17. 異なる基準点が、各サブセットのために設定される、請求項１５のシステム。
  18. 前記二次レンダリングプロジェクションは傾斜される、請求項１３に記載のシステム。
  19. 前記二次レンダリングプロジェクションは遠近形状である、請求項１３に記載のシステム。
  20. 前記二次レンダリングプロジェクションは平行形状である、請求項１３に記載のシステム。
  21. 前記二次レンダリングプロジェクションの結果は、前記サブシーンのレンダリングターゲットテクスチャである、請求項１３に記載のシステム。
  22. 前記二次光線と前記決定されたサブシーンとの間の交差の探索が、前記一次ヒットポイントと前記レンダリングターゲットテクスチャとの座標を一致させることによってなされる、請求項１３に記載のシステム。
  23. 前記保存された二次光線の交差点は、前記次世代の二次光線のためのヒットポイントのクラスタとして機能することができる、請求項１３に記載のシステム。
  24. 全ての前記一次ヒットポイントから集約された前記処理された光値のサンプルは、前記３次元シーンの影響を受ける前記拡張オブジェクトのフル画像の一部として、前記画像ピクセルに収束される、請求項１３に記載のシステム。
  25. 前記グラフィックスプロセッサは、ハードウェアグラフィックスパイプラインを有するディスクリートＧＰＵである、請求項１３に記載のシステム。
  26. 前記グラフィックスプロセッサは、ハードウェアグラフィックスパイプラインを有する統合型ＧＰＵである、請求項１３に記載のシステム。
  27. 前記グラフィックスプロセッサは、少なくとも１つの統合型ＧＰＵと少なくとも１つのディスクリートＧＰＵとのハイブリッドグラフィックスシステムであって、全てがハードウェアグラフィックスパイプラインを有する、請求項１３に記載のシステム。
  28. 前記汎用プロセッサは、複数のプロセッシングコアを有するマルチコアＣＰＵである、請求項１３に記載のシステム。
  29. グラフィックスパイプラインを利用して、３次元シーンのレイトレーシングにおける二次光線とオブジェクトとの間の高速交差のためのコンピュータベースの方法であって、
    ａ）既存のヒットポイントのクラスタに、前記既存のヒットポイントの深度を取得するために、光線の第１のプロジェクションを発するステップと、
    ｂ）二次光線を作成するために、前記取得された深度を利用して、前記既存のヒットポイントのクラスタを通る前記光線のプロジェクションを繰り返すステップと、
    ｃ）前記二次光線で、前記３次元シーン又はその一部をレンダリングし、ジオメトリックオブジェクトとの前記交差をレンダリングターゲットに記憶するステップと、
    ｄ）既存のヒットポイントの各々を関連する二次光線と前記レンダリングターゲットとの交差と一致させるステップと、
    ｅ）前記二次光線と前記レンダリングターゲットとの前記交差の点においてオブジェクトの識別を位置付けるステップと
    を含む方法。
  30. 前記既存のヒットポイントは、一次又は二次ヒットポイントである、請求項２９に記載の方法。
  31. 前記第１のプロジェクションは、既存のヒットポイントのみをレンダリングし、前記３次元シーンの前記ジオメトリックオブジェクトを無視する、請求項２９に記載の方法。
  32. Ｚバッファリング機構が使用される、請求項３１に記載の方法。
  33. 既存のヒットポイントに遭遇するプロジェクションの前記光線は、２つのセグメントに分割される、請求項２９に記載の方法。
  34. 前記２つのセグメント間の分割点は、光線が既存のヒットポイントに遭遇する場所である、請求項３３に記載の方法。
  35. 二次光線が第２のセグメントを含む、請求項３３に記載の方法。
  36. 第１のセグメントの範囲内の全てのジオメトリオブジェクトが破棄される、請求項３３に記載の方法。
  37. 既存のヒットポイントに遭遇しない前記第１のプロジェクションの光線は、二次光線にならない、請求項２９に記載の方法。
  38. 二次光線は、前記３次元シーンのジオメトリックオブジェクトをレンダリングする、請求項２９に記載の方法。
  39. 前記二次光線と前記シーンの前記ジオメトリックオブジェクトとの間の全ての前記交差点は、前記レンダリングターゲットに記憶される、請求項２９に記載の方法。
  40. 前記二次光線と前記ジオメトリックオブジェクトとの間の全ての前記交差点は、前記既存のヒットポイントを助長する、請求項２９に記載の方法。
  41. 既存のヒットポイントをレンダリングターゲットにおける対応する交差点と一致させるステップは、座標を一致させることによってなされる、請求項２９に記載の方法。
  42. 前記交差の点において前記オブジェクトの識別を位置付けるステップは、前記シーンのジオメトリックデータベースを参照することによってなされる、請求項２９に記載の方法。
  43. 前記交差の点は、次世代の既存のヒットポイントとして使用されることができる、請求項２９に記載の方法。
  44. グラフィックスパイプラインを利用して、３次元シーンのレイトレーシングにおける二次光線とオブジェクトとの間の高速交差のためのコンピュータベースのシステムであって、前記システムは、
    メモリを有する少なくとも１つのグラフィックスプロセッサと、
    メモリを有する少なくとも１つの汎用プロセッサと、
    前記シーンのジオメトリックデータベースと、
    レンダリングターゲットメモリと
    を備え、実行時に、
    ａ）グラフィックスプロセッサは、既存のヒットポイントのクラスタに、前記既存のヒットポイントの深度マップを取得するために、光線の第１のプロジェクションを発し、
    ｂ）グラフィックスプロセッサは、二次光線を作成するために、前記取得された深度マップを利用して、前記既存のヒットポイントのクラスタを通して光線の第２のプロジェクションを発し、
    ｃ）グラフィックスプロセッサは、前記二次光線で前記３次元シーン又はその一部をレンダリングし、二次光線のジオメトリックオブジェクトとの前記交差をレンダリングターゲットメモリに記憶し、
    ｄ）既存のヒットポイントは、関連する二次光線と前記レンダリングターゲットとの交差の点と一致し、
    ｅ）二次光線の前記レンダリングターゲットとの前記交差の点に表されるオブジェクトの識別が位置付けられる
    システム。
  45. 前記グラフィックスプロセッサは、ハードウェアグラフィックスパイプラインを有する少なくとも１つのディスクリートＧＰＵである、請求項４４に記載のシステム。
  46. 前記グラフィックスプロセッサは、ハードウェアグラフィックスパイプラインを有する少なくとも１つの統合型ＧＰＵである、請求項４４に記載のシステム。
  47. 前記グラフィックスプロセッサは、少なくとも１つの統合型ＧＰＵと少なくとも１つのディスクリートＧＰＵとのハイブリッドグラフィックスシステムであって、全てがハードウェアグラフィックスパイプラインを有する、請求項４４に記載のシステム。
  48. 前記汎用プロセッサは、複数のプロセッシングコアを有するマルチコアＣＰＵである、請求項４４に記載のシステム。
  49. 前記既存のヒットポイントは、一次又は二次ヒットポイントである、請求項４４に記載のシステム。
  50. 前記第１のプロジェクションは、既存のヒットポイントのみをレンダリングし、前記３次元シーンの前記ジオメトリックオブジェクトを無視する、請求項４４に記載のシステム。
  51. 前記既存のヒットポイントの前記深度マップの取得は、前記シーンの前記ジオメトリックオブジェクトを無視することによってなされる、請求項４４に記載のシステム。
  52. 前記深度マップの取得は、Ｚバッファリング機構によって実装される、請求項４４に記載のシステム。
  53. 既存のヒットポイントに遭遇するプロジェクションの前記光線は、２つのセグメントに分割される、請求項４４に記載のシステム。
  54. 前記２つのセグメント間の分割点は、光線が既存のヒットポイントに遭遇する場所である、請求項４４に記載のシステム。
  55. 二次光線が第２のセグメントを含む、請求項４４に記載のシステム。
  56. 第１のセグメントの範囲内の全てのジオメトリオブジェクトが破棄される、請求項４４に記載のシステム。
  57. 既存のヒットポイントに遭遇しない前記第１のプロジェクションの光線は、二次光線にならない、請求項４４に記載のシステム。
  58. 二次光線は、前記３次元シーンのジオメトリックオブジェクトをレンダリングする、請求項４４に記載のシステム。
  59. 前記二次光線と前記シーンの前記ジオメトリックオブジェクトとの間の全ての前記交差点は、前記レンダリングターゲットメモリに記憶される、請求項４４に記載のシステム。
  60. 前記二次光線と前記ジオメトリックオブジェクトとの間の全ての前記交差点は、前記既存のヒットポイントを助長する、請求項４４に記載のシステム。
  61. 既存のヒットポイントを関連する交差と一致させ、前記交差において前記オブジェクトを識別するタスクは、前記システムのグラフィックスプロセッシングユニット又は汎用プロセッシングユニットの何れかによって行われることができる、請求項４４に記載のシステム。
  62. 既存のヒットポイントをレンダリングターゲットにおける対応する交差点と一致させることは、座標を一致させることによってなされる、請求項４４に記載のシステム。
  63. 前記交差の点において前記オブジェクトの識別を位置付けることは、前記シーンの前記ジオメトリックデータベースを参照することによってなされる、請求項４４に記載のシステム。
  64. 非一次光線からのレイトレーシングにおいて二次光線を生じさせるためのコンピュータベースの方法であって、前記方法は、
    一次光線が発せられた後に３次元シーンに追加の光線を発するステップ
    を含み、前記シーンは、
    一次光線によって以前に生成された既存のヒットポイントのクラスタと、
    前記シーンのジオメトリックデータを含むジオメトリオブジェクトと
    からなり、
    前記追加の光線と既存のヒットポイントとの間の交差において、二次光線が前記追加の光線から生じて、各生じた二次光線は、
    交差の既存のヒットポイントにおいて発生し、
    前記交差の既存のヒットポイントに関連するようになり、
    常にその元の発射方向を保持し、
    その関連する既存のヒットポイントの前方に位置付けられたジオメトリックオブジェクトとの交差を探索するために使用される
    方法。
  65. 前記追加の光線は、カメラ又は光源から発せられない、請求項６４に記載の方法。
  66. 前記既存のヒットポイントは、一次光線とジオメトリックオブジェクトとの間の交差の結果である、請求項６４に記載の方法。
  67. 前記追加の光線は、２回の後続のプロジェクションにおいて発せられる、請求項６４に記載の方法。
  68. 追加の光線と既存のヒットポイントとの間の交差は、前記既存のヒットポイントのクラスタに追加の光線の第１のプロジェクションを発することによって生じる、請求項６４に記載の方法。
  69. 前記投影された追加の光線は、二次光線のための搬送波として使用される、請求項６４に記載の方法。
  70. 二次光線とジオメトリックオブジェクトとの間の交差は、前記追加の光線の第２のプロジェクションの間に生じる、請求項６４に記載の方法。
  71. 前記追加の光線の前記第２のプロジェクションは、前記シーンのジオメトリックデータに発せられる、請求項７０に記載の方法。
  72. 追加の光線から生じたニ次光線と既存のヒットポイントとの間の関連付けは、前記光線のジオメトリックオブジェクトとの交差の結果が前記既存のヒットポイントに関連することを意味する、請求項６４に記載の方法。
  73. 非一次光線からのレイトレーシングにおいて二次光線を生じさせるためのシステムであって、前記システムは、
    メモリを有する少なくとも１つのグラフィックスプロセッサと、
    メモリを有する少なくとも１つの汎用プロセッサと、
    一次光線によって以前に生成された既存のヒットポイントのクラスタと、
    前記シーンのジオメトリックデータを含むジオメトリオブジェクトと
    を備え、追加の光線が前記既存のヒットポイントのクラスタに発せられ、それらの交差の点において二次光線を生じさせて、各生じた二次光線は、
    交差の既存のヒットポイントにおいて発生し、
    前記交差の既存のヒットポイントに関連するようになり、
    常にその元の発射方向を保持し、
    その関連する既存のヒットポイントの前方に位置付けられたジオメトリックオブジェクトとの交差を探索するために使用される、
    システム。
  74. 前記追加の光線は、２回の後続のプロジェクションにおいて発せられる、請求項７１に記載のシステム。
  75. 非一次光線と既存のヒットポイントとの間の交差は、前記既存のヒットポイントのクラスタに追加の光線の第１のプロジェクションを発することによって生じる、請求項７１に記載のシステム。
  76. 投影された追加の光線は、二次光線のための搬送波として使用される、請求項７１に記載のシステム。
  77. 二次光線とジオメトリックオブジェクトとの間の交差は、前記追加の光線のプロジェクションの間に生じる、請求項７１に記載のシステム。
  78. 前記投影された追加の光線は、前記シーンのジオメトリックデータに発せられる、請求項７７に記載のシステム。
  79. 追加の光線から生じた二次光線と既存のヒットポイントとの間の関連付けは、前記光線のジオメトリックオブジェクトとの交差の結果が前記既存のヒットポイントに関連することを意味する、請求項７１に記載のシステム。
  80. グラフィックスパイプラインを利用して、拡張オブジェクトの光線追跡反射を現実世界環境の画像に高速に生成するためのコンピュータベースの方法であって、現実世界環境の画像空間において、
    ａ．拡張オブジェクトの反射を作成するための領域を識別するステップと、
    ｂ．カメラからの一次光線のプロジェクションを前記識別された領域に発し、一次ヒットポイントのクラスタを生成するステップと、
    ｃ．前記一次ヒットポイントのクラスタを通して前記拡張オブジェクトに二次光線のプロジェクションを発し、それによってレンダリングターゲットテクスチャがもたらされるステップと、
    ｄ．前記レンダリングターゲットテクスチャから、二次光線と拡張オブジェクトとの間の交差の点を明らかにしてサンプリングするステップと、
    ｅ．前記交差点における前記サンプリングされた光値をそれらのそれぞれの一次ヒットポイントに供給するステップと
    を含む方法。
  81. 前記現実世界の画像における前記反射領域は、前記拡張オブジェクトを反射し得る反射面又は半反射面において識別される、請求項８０に記載の方法。
  82. 前記反射領域の位置及び境界は、カメラの位置、前記拡張オブジェクトの距離及びサイズ、並びに主方向の考慮に従って決定される、請求項８０に記載の方法。
  83. 前記発せられた一次光線のプロジェクションは、グラフィックスププロセッシングユニットのハードウェアグラフィックスパイプラインによって実装される、請求項８０に記載の方法。
  84. 前記発せられた一次光線のプロジェクションは、ソフトウェアグラフィックスパイプラインによって実装される、請求項８０に記載の方法。
  85. 前記一次光線のプロジェクションは、複数回繰り返される、請求項８０に記載の方法。
  86. 前記複数の一次光線のプロジェクションは、互いから外れている、請求項８５に記載の方法。
  87. 各連続回において、前記一次プロジェクションは、主方向から外れている、請求項８５に記載の方法。
  88. 前記画像の各ピクセルは、複数のサンプルを得る、請求項８０に記載の方法。
  89. 前記二次光線は、前記一次ヒットポイントにおいて始まる、請求項８０に記載の方法。
  90. 前記二次光線のプロジェクションは、ＧＰＵのハードウェアグラフィックスパイプラインによって実装される、請求項８０に記載の方法。
  91. 前記二次光線のプロジェクションは、ＧＰＵのＺバッファリング機構を利用する、請求項９０に記載の方法。
  92. 前記二次光線のプロジェクションは、ソフトウェアグラフィックスパイプラインによって実装される、請求項８０に記載の方法。
  93. 二次光線と拡張オブジェクトとの間の前記交差点は、新世代の一次ヒットポイントと見なされる、請求項８０に記載の方法。
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