Cette thèse aborde la problématique du calcul d’ombre exact par pixel en temps réel. Ce mémoire propose une nouvelle méthode de rendu d’ombre dure avec une partition de volumes d’ombre : un arbre ternaire basés sur les plans d’ombre des volumes d’ombre de la scène est construit dans un premier temps, avant de l’interroger pour déterminer l’ombrage des pixels de l’image. Une des propriétés intéressantes de cette structure est la prédictibilité de son empreinte mémoire ; contrairement aux méthodes de calcul d’ombre, cette méthode supporte des scènes géométriquement complexes de l’ordre du million de triangles grâce au comportement logarithmique du parcours de la structure vis à vis de la complexité géométrique. / This thesis focuses on exact per pixel hard shadow computation. We propose a new method for rendering hard shadows using a partition of shadow volumes : first, a ternary tree based on the shadow planes of the shadow volumes, and then, it is traversed to determine the shading of each pixel in the image. An interesting property of this structure is the predictability of its memory footprint ; Unlike other geometric shadow methods, our approach supports complex scenes up to a million triangles thanks to the logarithmic behavior of the structure traversal with respect to the geometric complexity.

Les ombres sont un élément fondamental pour garantir le réalisme des images de synthèses. Elles donnent des informations nécessaires pour discerner correctement le positionnement relatif des objets. Le calcul d'ombre dures exactes en temps-réel reste toutefois un problème difficile en Informatique Graphique. Les Shadow Maps sont privilégiées pour leurs excellentes performances, mais elles ne peuvent garantir un résultat exact par pixel. Les volumes d'ombre sont plus lents que les Shadow Maps mais produisent des ombres exactes en toute circonstances. Bien qu'ils aient récemment atteint un haut niveau de performances, ils restent sensibles à la complexité géométrique et sont limités à des scènes de taille modeste. Dans cette thèse, nous proposons un nouvel algorithme de rendu d'ombres dures en temps réel basé sur les volumes d'ombre qui reste rapide sur des scènes de très grande tailles. De plus, nous introduisons une nouvelle stratégie de partitionnement jusque-là inexplorée en Informatique Graphique : les arbres métriques. / Shadows are a fundamental visual effect for computer generated images. They provide essential spatial hints allowing us to correctly perceive objects positions in the scene. Despite its importance, computing pixel accurate shadows in real-time is a challenging problem in Computer Graphics. Shadow Maps are still the favored solution due to their high efficiency, but they can't always provide pixel accurate results. Shadow Volumes are slower than Shadow Maps but always garantee pixel accurate shadows. While recent works significantly improved their performance, they remain sensitive to scalability, which limits their application scope. In this thesis, we propose a new algorithm based on Shadow Volumes that remains fast even on very large scenes. Furthermore, we introduce a new partitioning strategy that is yet unexplored in Computer Graphics : the metric tree.

Background. Ray tracing is a tool that can be used to increase the quality of the graphics in games. One application in graphics that ray tracing excels in is generating shadows because ray tracing can simulate how shadows are generated in real life more accurately than rasterization techniques can. With the release of GPUs with hardware support for ray tracing, it can now be used in real-time graphics applications to some extent. However, it is still a computationally heavy task requiring performance improvements. Objectives. This thesis will evaluate the difference in performance of three raytracing methods in DXR Tier 1.1, namely dynamic ray tracing and two forms of inline ray tracing. To further investigate the ray-tracing performance, soft shadows will be implemented to see if the driver can perform optimizations differently (depending on the choice of ray-tracing method) on the subsequent and/or preceding API interactions. With the pipelines implemented, benchmarks will be performed using different GPUs, scenes, and a varying amount of shadow-casting lights. Methods. The scientific method is based on an experimental approach, using both implementation and performance tests. The experimental approach will begin by extending an in-house DirectX 12 renderer. The extension includes ray-tracing functionality, so that hard shadows can be generated using both dynamic- and the inline forms ray tracing. Afterwards, soft shadows are generated by implementing a state-of-the-art-denoiser with some modifications, which will be added to each ray-tracing method. Finally, the renderer is used to perform benchmarks of various scenes with varying amounts of shadow-casting lights and object complexity to cover a broad area of scenarios that could occur in a game and/or in other similar applications. Results and Conclusions. The results gathered in this experiment suggest that under the experimental conditions of the chosen scenes, objects, and number of lights, AMD’s GPUs were faster in performance when using dynamic ray tracing than using inline ray tracing, whilst Nvidia’s GPUs were faster when using inline ray tracing compared to when using dynamic ray tracing. Also, with an increasing amount of shadow-casting lights, the choice of ray-tracing method had low to no impact except for linearly increasing the execution time in each test. Finally, adding soft shadows(subsequent and preceding API interactions) also had low to no relative impact on the results depending on the different ray-tracing methods. / Bakgrund. Strålspårning (ray tracing) är ett verktyg som kan användas för att öka kvalitén på grafiken i spel. En tillämpning i grafik som strålspårning utmärker sig i är när skuggor ska skapas eftersom att strålspårning lättare kan simulera hur skuggor skapas i verkligheten, vilket tidigare tekniker i rasterisering inte hade möjlighet för. Med ny hårdvara där det finns support för strålspårning inbyggt i grafikkorten finns det nu möjligheter att använda strålspårning i realtids-applikationer inom vissa gränser. Det är fortfarande tunga beräkningar som behöver slutföras och det är därav att det finns behov av förbättringar.  Syfte. Denna uppsats kommer att utvärdera skillnaderna i prestanda mellan tre olika strålspårningsmetoder i DXR nivå 1.1, nämligen dynamisk strålspårning och två olika former av inline strålspårning. För att ge en bredare utredning på prestandan mellan strålspårningsmetoderna kommer mjuka skuggor att implementeras för att se om drivrutinen kan göra olika optimiseringar (beroende på valet av strålspårningsmetod) på de efterföljande och/eller föregående API anropen. Efter att dessa rörledningar (pipelines) är implementerade kommer prestandatester att utföras med olika grafikkort, scener, och antal ljus som kastar skuggor. Metod. Den vetenskapliga metoden är baserat på ett experimentellt tillvägagångssätt, som kommer innehålla både ett experiment och ett flertal prestandatester. Det experimentella tillvägagångssättet kommer att börja med att utöka en egenskapad DirectX 12 renderare. Utökningen kommer tillföra ny funktionalitet för att kunna hantera strålspårning så att hårda skuggor ska kunna genereras med både dynamisk och de olika formerna av inline strålspårning. Efter det kommer mjuka skuggor att skapas genom att implementera en väletablerad avbrusningsteknik med några modifikationer, vilket kommer att bli tillagt på varje strålspårningssteg. Till slut kommer olika prestandatester att mätas med olika grafikkort, olika antal ljus, och olika scener för att täcka olika scenarion som skulle kunna uppstå i ett spel och/eller i andra liknande applikationer.  Resultat och Slutsatser. De resultat från testerna i detta experiment påvisar att under dessa förutsättningar så är AMD’s grafikkort snabbare på dynamisk strålspårning än på inline strålspårning, samtidigt som Nvidias grafikkort är snabbare på inline strålspårning än på den dynamiska varianten. Ökandet av ljus som kastar skuggor påvisade låg till ingen förändring förutom ett linjärt ökande av exekveringstiden i de flesta testerna. Slutligen så visade det sig även att tillägget av mjuka skuggor (efterföljande och föregående API interaktioner) hade låg till ingen påverkan på valet av strålspårningsmetod.

The aim of this work was to create a program to visualize voxel scenes in real time using ray tracing. It included the study of various methods of such a rendering with a focus on shadows. The solution was created using Unity engine and experimental packages Unity Jobs and Burst. The thesis presents multiple ray tracing passes and SVGF technique, that is used to turn a noisy input into full edge-preserving image. The final program is able to render hard shadows, soft shadows, and ambient occlusion at speed of fifty frames per second.