Background. Rasterization of triangle geometry has been the dominating rendering technique in the real-time rendering industry for many years. However, triangles are not always easy to work with for content creators. With the introduction of hardware-accelerated ray tracing, rasterization-based lighting techniques have been steadily replaced by ray tracing techniques. This shift may signify the opportunity of exploring other, more easily manipulated, geometry-type alternatives compared to triangle geometry. One such geometry type is implicit surfaces. Objectives. This thesis investigates the rendering speed, editing speed, and image quality of different implicit surface rendering techniques using a state-of-the-art, hardware-accelerated, path tracing implementation. Furthermore, it investigates how implicit surfaces may be edited in real time and how editing affects rendering. Methods. A baseline direct sphere tracing algorithm is implemented to render implicit surfaces. Additionally, dense and narrow band discretization algorithms that sphere trace a discretization of the implicit surface are implemented. For each technique, two variations that provide potential benefits in rendering speed are also tested. Additionally, a real-time implicit surface editor that can utilize all the mentioned rendering techniques is created. Rendering speed, editing speed, and image quality metrics are captured for all techniques using different scenes created with the editor and an existing hardware-accelerated path tracing solution. Image quality differences are measured using mean squared error and the image difference evaluator FLIP. Results. Direct sphere tracing achieves the best image quality results but has the slowest rendering speed. Dense discretization achieves the best rendering speed in most tests and achieves better image quality results compared to narrow band discretization. Narrow band discretization achieves significantly better editing speed than both direct sphere tracing and dense discretization. All variations of each algorithm achieve better or equal rendering and editing speed compared to their standard implementation. All algorithms achieve real-time rendering and editing performance. However, only discretized methods display real-time rendering performance for all scenes, and only narrow band discretization displays real-time editing performance for a larger number of primitives. Conclusions. Implicit surfaces can be rendered and edited in real time while using a state-of-the-art, hardware-accelerated, path tracing algorithm. Direct sphere tracing degrades in performance when the implicit surface has an increased number of primitives, whereas discretization techniques perform independently of this. Furthermore, narrow band discretization is fast enough so that editing can be performed in real time even for implicit surfaces with a large number of primitives, which is not the case for direct sphere tracing or dense discretization. / Bakgrund. Triangelrastrering har varit den dominerande renderingstekniken inom realtidsgrafik i flera år. Trianglar är dock inte alltid lätta att jobba med för skapare av grafiska modeller. Med introduktionen av hårdvaruaccelererad strålspårning har rastreringsbaserade ljussättningstekniker stadigt ersatts av strålspårningstekniker. Detta skifte innebär att det kan finnas möjlighet för att utforska andra, mer lättredigerade geometrityper jämfört med triangelgeometri, exempelvis implicita ytor. Syfte. Detta examensarbete undersöker rendering- och redigeringshastigheten, samt bildkvaliteten av olika renderingstekniker för implicita ytor tillsammans med en spjutspetsalgoritm för hårdvaruaccelererad strålföljning. Den undersöker även hur implicita ytor kan redigeras i realtid och hur det påverkar rendering. Metod. En direkt sfärspårningsalgoritm implementeras som baslinje för att rendera implicita ytor. Även algoritmer som utför sfärstrålning över en kompakt- och smalbandsdiskretisering av den implicita ytan implementeras. För varje teknik implementeras även två variationer som potentiellt kan ge bättre prestanda. Utöver dessa renderingstekniker skapas även ett redigeringsverktyg för implicita ytor. Renderingshastighet, redigeringshastighet, och bildkvalité mäts för alla tekniker över flera olika scener som har skapats med redigeringsverktyget tillsammans med en hårdvaruaccelererad strålföljningsalgoritm. Skillnader i bildkvalité utvärderas med hjälp av mean squared error och evalueringsverktyget för bildskillnader som heter FLIP. Resultat. Direkt sfärspårning åstadkommer bäst bildkvalité, men har den långsammaste renderingshastigheten. Kompakt diskretisering renderar snabbast i de flesta tester och åstadkommer bättre bildkvalité än vad smalbandsdiskretisering gör. Smalbandsdiskretisering åstadkommer betydligt bättre redigeringshastighet än både direkt sfärspårning och kompakt diskretisering. Variationerna för respektive algoritm presterar alla lika bra eller bättre än standardvarianten för respektive algoritm. Alla algoritmer uppnår realtidsprestanda inom rendering och redigering. Endast diskretiseringsmetoderna uppnår dock realtidsprestanda för rendering med alla scener och endast smalbandsdiskretisering uppnår realtidsprestanda för redigering med ett större antal primitiver. Slutsatser. Implicita ytor kan renderas och redigeras i realtid tillsammans med en spjutspetsalgoritm för hårdvaruaccelererad strålföljning. Vid användning av direkt sfärstrålning minskar renderingshastigheten när den ytan består av ett stort antal primitiver. Diskretiseringstekniker har dock en renderingshastighet som är oberoende av antalet primitiver. Smalbandsdiskretisering är tillräckligt snabb för att redigering ska kunna ske i realtid även för implicita ytor som består stora antal primitiver.

Game engines are well known for their use in the gaming industry but are starting to have an impact in other areas as well. Architecture, automotive, and the defence industry are today using these engines to visualise and, to some extent, test their products. In this thesis, we have examined how the game engine Unity could be used for simulating a radar with the purpose of detecting and measuring sea clutter. Following a pre-study examining different implementation approaches, it was decided to use ray tracing. The radar itself is simulated by using the camera to emit rays and having a plane object directly behind it act as a receiver. Rays are then individually traced for each pixel, propagating throughout the scene and saving information such as hit coordinates, distance travelled, and direction. By using the total travel distance of each ray that returned to the receiver, the phase of each ray is calculated. This is then used to compute the total amplitude, which represents the returned signal strength. Using a compute shader, most of the computations are done in parallel on the GPU, enabling millions of rays to be traced. As measuring sea clutter was an objective of the study, tests measuring the ocean were carried out. These used ocean surfaces with two different sea states, using the Phillips spectrum to generate realistic waves. A ship object was then tested in free space and on two different ocean surfaces. The calculated amplitude and the number of rays returned were used to determine the signal strength returned and the RCS of the object. The purpose of this was to compare with other results of sea clutter studied, observed both in the real world and in simulated scenarios, and determine if our approach could be a valid choice for the industry. Some results matched the findings of a similar study that used a professional radar simulation tool called OKTAL. Other results of sea clutter were found to not be realistic due to certain limitations. The current main limitation of our implementation is not being able to trace a large enough ocean surface with the finer details needed for realistic results. However, this could be solved by creating a better implementation. These findings suggest that simulating radar and sea clutter in Unity is a feasible approach worth continuing to explore. / Spelmotorer är välkända för sin användning inom spelindustrin men har också fått genomslag inom andra områden. Arkitektur, fordonsindustrin och försvarsindustrin använder idag dessa verktyg för att visualisera och till viss mån, även testa sina produkter. I detta examensarbete har vi undersökt hur spelmotorn Unity kan användas för att simulera en radar i syfte att detektera och mäta sjöklotter. Efter en förstudie där olika implementeringsmetoder undersöktes, beslutades det att använda strålspårning (eng. ray tracing). Själva radarn simuleras genom att använda kameraobjektet i Unity för att sända ut strålar. Bakom kameran finns ett planobjekt som fungerar som mottagare. Strålar spåras sedan individuellt för varje pixel och sprider sig genom en given scen. Samtidigt sparas information såsom träffkoordinater, den totala färdsträckan samt riktning. Genom att använda det totala färdavståndet för varje stråle som återvänt till mottagaren kan fasen för varje stråle beräknas. Detta kan sedan användas för att beräkna den totala returnerade amplituden, vilket motsvarar den returnerade signalstyrkan. Med hjälp av en "compute shader" kan databeräkningarna göras parallellt av GPU:n vilket underlättar när så många strålar ska spåras. Eftersom syftet med uppsatsen var mätning av simulerat sjöklotter, genomfördes tester för att mäta på ett simulerat hav. Havsytorna hade två olika sjöstadier, vilka genererades med Phillips-spektrumet för att få realistiska vågor. Ett fartygsobjekt testades sedan i frirymd och sedan även i de två olika havsytorna. Amplituden och mängden strålar som returnerades användes för att bestämma den totala returnerade signalstyrkan och "Radar Cross Section" (RCS) för objektet. Syftet med detta var att kunna jämföra med andra studier gällande sjöklotter, både simulerade som verklighetsbaserade och avgöra om vårt tillvägagångssätt kunde resultera i ett användbart verktyg för branschen. De olika amplituder och antalet strålar som vi fick tillbaka varierade beroende på vilka vinklar och havsytor som användes.Vissa resultat var inte realistiska jämfört med verkliga mätningar av sjöklotter. Det beror främst på våra nuvarande begränsningar i att inte kunna spåra en tillräckligt stor och tillräckligt detaljerad havsyta, vilket behövs för att mätningarna ska vara mer realistiska. Däremot matchade vi några resultat med de från en liknande studie, där verktyget OKTAL, som är ett professionellt radarsimuleringsverktyg, användes. Detta i kombination med möjligheterna för en förbättrad implementation tyder på att användningen av en spelmotor som Unity är ett intressant verktyg värd att vidareutforska radarsimuleringar med.

Ray tracing is used in computer graphics to generate images. The process of rendering images using ray tracing includes testing large counts of rays for intersection against geometry. Testing for ray-geometry intersection is more formally known as the Ray Shooting Problem (RSP) and has broad applications across multiple communities. Hierarchical acceleration structures are frequently employed to index geometry and increase processing speed. Such hierarchical structures make it almost impossible for central processing units to predict memory access and branching patterns. This project focuses on the Bounding Volume Hierarchy (BVH) structure and improving its performance when querying large batches of first hit ray-geometry intersections. The core contribution is an Interleaved Prefetching Ray Traversal (IPRT) algorithm that addresses memory and branching issues. Five standardized test scenarios with varying geometric complexity provide evaluation data. The experimental evaluation suggests that for incoherent rays, IPRT achieves 6:1 - 41:8% faster performance compared to Stackless Traversal. However, for fully coherent rays, performance is 68:8 - 149:1% slower. These results suggest that for select ray tracing workloads that elicit low coherence, the IPRT algorithm is likely to outperform Stackless Traversal. A microarchitectural analysis affirms previous research; memory accesses and branching behavior are critical for performance. Surprisingly, addressing each component in isolation yields no significant performance improvement. It is paramount to address the two simultaneously, as the IPRT algorithm does successfully. / Ray tracing används inom datorgrafik för att generera bilder. Att rendera bilder med ray tracing kräver att datorer simulerar stora mängder ljusstrålar i en virtuell miljö. Problemet att beräkna om en stråle träffar geometri är mer formellt känt som Ray Shooting Problem (RSP) och har breda applikationer inom flera områden. Hierarkiska accelerationsstrukturer används ofta för att indexera geometri och öka beräkningshastighet. Sådana hierarkiska strukturer gör det nästan omöjligt för centrala processorenheter att förutsäga minnesåtkomst och förgreningsmönster. Detta projekt fokuserar på Bounding Volume Hierarchy (BVH) strukturen och dess prestanda. En ny algoritm tas fram för att behandla dessa identifierade problem: Interleaved Prefetching Ray Traversal (IPRT). Fem standardiserade testscener med varierande geometrisk komplexitet används för experimentell utvärdering. Den experimentella utvärderingen antyder i jämförelse med Stackless Traversal så uppnår IPRT-algoritmen 6:1 - 41:8% bättre prestanda för osammanhängande strålar. När det gäller helt sammanhängande strålar är prestandan dock 68:8 - 149:1% långsammare. En mikroarkitektisk analys bekräftar tidigare forskning; minnesåtkomst och förgreningsbeteende är mycket viktigt för prestanda. Isolerad optimering av faktorerna ger dessvärre ingen signifikant prestandaförbättring. Det är därför ytterst viktigt att optimera båda komponenter samtidigt, vilket IPRT-algoritmen lyckas med.

With the newly deployed fifth-generation telecommunications system and upcoming sixth-generation, high-gain antennas with hemispherical scanning capabilities are of high interest. Phased array antennas allow for fast scanning capabilities with electronic beam-steering. In an effort to reduce the number of antenna elements while maintaining the antenna aperture size, the element spacing is increased. However sparse arrays introduce grating lobes in the radiation pattern. An interesting solution to reduce the grating lobes is to integrate a lens with the array. Further, simulating the radiation pattern with a ray-tracing algorithm and the geometrical optics approximation makes for fast simulation times. The presented ray-tracing algorithm in this work speeds up the simulation by 43 times compared to a two-dimensional full-wave simulation. To model the full radiation pattern the rays are shot out from a single point across a set angular space. To emulate an element pattern the rays are excited with a set amplitude distribution. Here, two different methods of obtaining the amplitude are presented and compared to a two-dimensional full-wave COMSOL model. The lens is made from a dielectric, constructed from the conics equation with applied conformal matching layers. The ray path and phase distribution are calculated with Snell's law, the amplitude distribution at the lens aperture is calculated through the ray tube theory, and the radiation pattern with the Kirchhoff Diffraction formula. To optimize the lens shape and an array offset, the ray-tracing algorithm is coupled with a Particle Swarm Optimization algorithm. Two different arrays are used in this thesis, the first constructed from open-ended waveguides and the second using sub-arrays of the same waveguides. The optimized lens for the first array shows that a grating lobe suppression between 1.1-2.0 dB is achievable with a main lobe reduction between 0.2-0.3 dB for scanning to -20 degrees. For the array with sub-arrays, the main lobe suppression is between 0.3-0.9 dB, with a grating lobe suppression of up to 4.0 dB. / Med det nyligen lanserade femte generationens telekommunikationssystem och den kommande sjätte generationen är högförstärkningsantenner med halvsfäriska skanningsmöjligheter av stort intresse. Fasade array-antenner möjliggör snabb skanningskapacitet med elektronisk strålstyrning. I ett försök att minska antalet antennelement samtidigt som antennöppningens storlek bibehålls, ökas elementavståndet. Men glesa arrayer introducerar gallerlober i strålningsmönstret. En intressant lösning för att minska gallerloberna är att integrera en lins med arrayen. Vidare, simulering av strålningsmönstret med en strålspårningsalgoritm och den geometriska optiska approximationen ger snabba simuleringstider. Den presenterade strålspårningsalgoritmen i detta arbete snabbar upp simuleringen med 43 gånger jämfört med en tvådimensionell helvågssimulering. För att modellera hela strålningsmönstret skjuts strålarna ut från en enda punkt över ett fast vinkelutrymme. För att efterlikna ett elementmönster exciteras strålarna med en inställd amplitudfördelning. Här presenteras två olika metoder för att erhålla amplituden och jämförs med en tvådimensionell fullvågs-COMSOL-modell. Linsen är gjord av ett dielektrika konstruerat från koniska ekvationen med applicerade konforma matchande lager. Strålvägen och fasfördelningen beräknas med Snell-lagen, amplitudfördelningen vid linsöppningen beräknas genom strålrörsteorin och strålningsmönstret med Kirchhoff-diffraktionsformeln. För att optimera linsformen och en arrayförskjutning är strålspårningsalgoritmen kopplad med en Particle Swarm algoritm. Två olika arrayer används i denna avhandling, den första konstruerad av vågledare med öppen ände och den andra med hjälp av sub-arrayer av samma vågledare. Den optimerade linsen för den första arrayen visar att en gallerlobsundertryckning mellan 1,1-2,0 dB kan uppnås med en huvudlobsreduktion mellan 0,2-0,3 dB för skanning till -20 grader. För arrayen med sub-arrayer är undertryckningen av huvudloben mellan 0,3-0,9 dB, med en gallerlobundertryckning på upp till 4,0 dB.

In recent years, there has been a huge increase in the use of satellite communications. This has led to a need for more capacity, which can be solved by moving towards higher frequency bands in search of higher bandwidths. However, the use of higher frequencies entails higher link losses, which makes it essential to use highly directional and steerable antennas. Traditionally, phased array antennas have been used for this kind of application. Nevertheless, they have a limitation in the maximum scan angle due to their effective aperture, which causes a gain reduction following the cosine of the scanning angle. A way of improving the scan range is to add a dielectric radome on top of the array. However, high computational times are needed to simulate this kind of structure using full-wave simulations. For this reason, the first part of this work is focused on adapting and improving an in-house Ray Tracing tool for the particular application under study. The tool computes the path the rays follow from the array to the aperture of the radome using geometric optics, then calculates the amplitude of the electric field at the aperture using ray tube theory, and finally determines the antenna’s radiation pattern using Kirchhoff’s diffraction formula. Moreover, some features have been added to the code to be able to compute the directivity, calculate the absorption and reflection losses, simulate multilayer radomes, and change the array elements’ radiation patterns. A model in Comsol has been developed to validate the results obtained using the Ray Tracing tool and all its added features. Finally, several optimizations have been carried out to increase the scanning range while maintaining a maximum height, and ensuring it complies with the regulatory masks for satellite communications. The optimizations have been performed both using a Particle Swarm Optimizer and manually. / Under de senaste åren har det skett en stor ökning av satellitkommunikations användning. Detta har lett till ett behov för högre kapacitet, vilket kan lösas genom att flytta till högre frekvensband på jakt efter högre bandbredder. Högre bandbredder innebär dock högre länkförluster som gör det oumbärligt att utnyttja rikt- och styrbara antenner. Ursprungligen har fasstyrda antenner använts för denna typ av tillämpning. Ändå finns en begränsning av den maximala skanningsvinkeln på grund av deras effektiva yta som leder till en minskning av förstärkning som är beroende på avsökningsvinkelns cosinus. För att kunna förbättra skanningsintervallen skulle man kunna lägga till en dielektrisk radom ovanpå arrayen. Höga beräkningstider krävs dock att simulera strukturen med helvågssimuleringar. Av denna anledning fokuserar den första delen av denna uppsats att anpassa och förbättra ett internt strålspårnings verktyg för den särskilda applikationen under studie. Verktyget beräknar vägen strålarna tar ifrån arrayen till radomens öppning med hjälp av geometrisk optik, därefter kalkyleras det elektriska fältets amplitud enligt strålrörsteori och till sist fastställs antennens strålningsmönster som definieras av Kirchhoffs diffraktionsformel. Dessutom har vissa funktioner lagts till i koden för att kunna beräkna riktningen, absorptions- och reflektionsförlusterna, simulera flerskiktsradomer och ändra arrayelementens strålningsmönster. En modell i Comsol har utvecklats för att validera resultaten som producerades av strålspårning verktyget och alla dess extra funktioner. Till sist, flera optimeringar har genomförts för att öka skanningsområdet som kan bibehålla en maximal höjd och säkerställa efterlevnaden med regleringsmaskerna för satellitkommunikationerna. Optimeringarna har utförts både manuellt och med hjälp av en partikelsvärmoptimerare. / En els últims anys hi ha hagut un increment majúscul en l’ús de les comunicacions per satèl·lit. Això s’ha traduït en la necessitat de més capacitat, la qual pot ser coberta si ens movem cap a bandes de freqüència més altes, buscant un major ample de banda. Tot i això, l’ús de freqüències més elevades comporta unes majors pèrdues en l’enllaç, les quals fan essencial l’ús d’antenes altament directives i amb capacitat d’escaneig. Tradicionalment, els arranjaments d’antenes de fase gradual han estat utilitzats per aquest tipus d’aplicacions. Tanmateix, tenen una limitació del màxim angle d’escaneig a causa de la seva obertura efectiva, la qual causa una reducció del guany seguint el cosinus de l’angle d’escaneig. Una manera de millorar el rang d’escaneig és afegint un radom dielèctric al damunt de l’arranjament d’antenes. No obstant això, es necessita un alt temps de computació per simular aquest tipus d’estructures amb simuladors d’ona completa. Per aquesta raó, la primera part d’aquest treball està enfocada a adaptar i perfeccionar una eina de traçat de rajos pròpia per l’aplicació en estudi. L’eina calcula el camí que els rajos segueixen des de l’arranjament d’antenes fins a l’obertura del radom utilitzant òptica geomètrica, a continuació computa l’amplitud del camp elèctric a l’obertura mitjançant la teoria del tub de rajos i finalment determina el patró de radiació de l’antena utilitzant la fórmula de difracció de Kirchhoff. Addicionalment, algunes funcions han estat afegides al codi per tal de poder computar la directivitat, calcular les pèrdues d’absorció i reflexió, simular radoms multicapa i canviar els patrons de radiació dels elements de l’arranjament. Un model en Comsol ha estat desenvolupat per tal de validar els resultats obtinguts emprant l’eina de traçat de rajos i totes les seves funcions. Finalment, vàries optimitzacions han estat dutes a terme per tal d’incrementar el rang d’escaneig mantenint una altura màxima i assegurant que es compleix amb les màscares reguladores de comunicacions per satèl·lit. Les optimitzacions han estat realitzades utilitzant tant un optimitzador per eixam de partícules com manualment.