[发明专利]用于光线追踪渲染的并行相交测试及着色的架构

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年3月20日提交的美国申请No.12,408,478的优先权、于2008年3月21日提交的题名为“Coupling Ray Storage and Compute for Memory-Efficient Ray Intersection Test Scaling”的美国临时申请No.61/038,731、和于2008年9月10日提交的题名为“Architectures for Parallelized Intersection Testing and Shading for Ray-Tracing Rendering”的美国临时申请No.61/095,890的优先权，出于全部目的而将其全部内容通过引证合并于此。

技术领域

本发明总体上涉及对三维场景的二维表现(representation)进行渲染(rendering)，更具体地说，涉及使用光线追踪来对场景的、照片般逼真(photo-realistic)的二维表现进行加速渲染。

背景技术

利用光线追踪来渲染照片般逼真图像在计算机图形领域是公知的。已知的是，因为光线追踪可以对与场景的元素相互作用的光的物理行为进行建模，所以，光线追踪用于生成照片般逼真图像，包括逼真阴影和照明效果。然而，还已知的是，光线追踪在计算上强度较高，而且目前，甚至最先进的图形工作站的状态也仍然需要耗费大量的时间，以利用光线追踪来对复杂的场景进行渲染。

光线追踪通常涉及以下处理：获取由描述了场景中的结构表面的几何图元(primitive)(如三角形)所组成的场景描述；并且，通过从摄像机开始追踪光线，并且通过与场景对象的各种潜在相互作用、直到在光源终止或者没有与光源相交而退出场景为止，来对光怎样与场景中的图元相互作用进行建模。

例如，一个场景可以包括街道上的汽车，在该街道任一侧上存在有建筑物。这种场景中的汽车可以用逼近连续表面的大量三角形(例如，一百万个三角形)来定义。定义了观看该场景的摄像机位置。从摄像机投射的光线通常被称为原生光线(primary ray)，而从一个对象向另一对象投射(例如，使得能够反射)的光线通常被称作次生光线(secondary ray)。将具有选定分辨率(例如，针对SVGA显示器为1024×768)的图像平面设置在摄像机与场景之间的选定位置处。

简单的光线追踪算法涉及将来自摄像机的一条或更多条光线通过图像的各个像素投射到场景中。接着，针对组成场景的各个图元来测试各条光线，以标识出该光线相交的图元，接着，确定该图元针对该光线产生的效果(例如，反射和/或折射)。这种反射和/或折射会导致光线沿其它方向前进，和/或划分成可以采取不同路径的多条次生光线。接着，针对场景图元来测试全部这些次生光线，以确定这些次生光线所相交的图元，并且，该过程递归进行，直到次生(和三生(tertiary)等)光线例如离开场景或碰撞(hitting)光源为止。在确定了全部这些光线/图元相交时，创建映射它们的树。在光线终止之后，通过该树反向追踪光源的贡献，以确定其针对场景像素的效果。容易理解的是，对(例如)1024×768条光线与数百万个三角形的相交进行测试的计算复杂度在计算上较高-并且这种光线数量甚至没有包括作为与相交光线的物质相互作用的结果而产生(spawned)的全部附加光线。

因为可以将针对生成图像的各个像素按照与该图像的其它像素无关的方式累积所累积的颜色信息，所以，将利用光线追踪来渲染场景称为“令人为难的并行问题”。因而，尽管在输出最终图像之前可存在针对像素的特定过滤、插值或其它处理，但是，可以并行地确定图像像素的颜色信息。因此，容易通过将像素划分成在多个处理资源中渲染并且并行执行对这些像素的渲染，来在指定的处理资源集上划分对图像进行光线追踪的任务。

在某些情况下，处理资源可以是支持多线程的计算平台，而其它情况可涉及通过LAN链接的计算机群、或计算内核群。对于这些类型的系统来说，可以实例化指定处理资源(例如，线程)，用于通过完成相交测试(intersection testing)和着色(shading)来处理指定光线或光线组。换句话说，利用可以彼此独立地渲染像素这一特性，可以在要相交测试的线程或处理资源之间划分已知的有助于不同像素的光线，接着对那些相交着色，将这种着色计算的结果写入至屏幕缓冲器，用于处理或显示。