Современная компьютерная графика постоянно развивается, стремясь создавать максимально реалистичные изображения и сцены. Одним из самых значимых направлений в этой сфере является объемное трассирование лучей (volumetric path-tracing), позволяющее добиваться фотореалистичного рендеринга объемных объектов и сред, таких как дым, туман, облака и другие атмосферные и физические явления. Однако до недавнего времени использование объемных данных для трассировки лучей сталкивалось с большими техническими трудностями, главными из которых были высокие требования к памяти и вычислительным ресурсам. В этой области появилась новая технология — адаптивные тетраэдральные сетки, которая способна изменить правила игры и значительно повысить эффективность рендеринга объемных данных. Основой для этой технологии служит метод разбиения пространства на тетраэдры — треугольные пирамиды с четырьмя гранями.
Такой способ пространственного разделения отличается высокой гибкостью и позволяет точно адаптировать структуру сетки под особенности объемного объекта или среды. В отличие от обычных кубических или регулярных сеток, тетраэдральные сетки построены на неравномерном разбиении трехмерного пространства, что способствует уменьшению аппаратных затрат на хранение и обработку данных. Ключевым алгоритмом, используемым для построения этих сеток, является алгоритм бисекции по самой длинной ребру (longest edge bisection). Этот метод обеспечивает равномерное и предсказуемое деление тетраэдров, что, в свою очередь, способствует надежности и стабильности сетки, а также точному отражению адаптивных изменений в объеме. Благодаря такой структурной организации появляется возможность управлять плотностью сетки, увеличивая детализацию там, где это необходимо, и упрощая ее в зонах с низкой сложностью или однородными характеристиками.
Одно из главных преимуществ тетраэдральных сеток — их способность поддерживать компактную и эффективную структуру соседства ячеек. Каждая тетраэдральная ячейка имеет ровно четыре соседних ячейки (по одной на каждую грань), за исключением граничных ячеек, где соседей может быть меньше. Эта особенность значительно упрощает алгоритмы обхода и вычисления пути лучей через сетку, что ведет к существенному увеличению скорости рендеринга. Инженеры и исследователи Intel Corporation, включая Аниса Бенюба и Джонатана Дюпюи, продемонстрировали мощь этой технологии в своем докладе на SIGGRAPH Talks 2025. Их GPU-реализация адаптивных тетраэдральных сеток показала впечатляющие результаты — ускорение работы по сравнению с обычными регулярными сетками достигает в 30 раз.
При этом возможно реалтаймовое рендеринг производственных объемных данных с качеством 32 сэмплов на пиксель, что является значительным шагом вперед в области интерактивной и фотореалистичной графики. Технология имеет широкий спектр практического применения. В первую очередь, это визуализация в киноиндустрии и игровых движках, где необходима реалистичная и быстрая обработка атмосферных эффектов и сложных объемных структур. Более точное и экономичное моделирование позволяет создавать более глубокие, насыщенные и выразительные сцены. Еще одной важной областью являются научные симуляции и визуализации, например, эффекты переноса излучения, моделирование физических процессов в атмосфере, медицине и физике частиц.
Кроме того, адаптивные тетраэдральные сетки способствуют снижению энергетических затрат при рендеринге. Высокая производительность на GPU позволяет экономить ресурсы и уменьшать время обработки, что особенно важно для современных дата-центров и облачных платформ, ориентированных на масштабируемую и быструю визуализацию. Это открывает новые горизонты для разработки интерактивных приложений и VR/AR систем, где важно сочетать высокое качество графики с минимальными задержками. Одним из вызовов внедрения такой технологии является сложность создания адаптивных структур и управления ими на GPU. Тем не менее, благодаря продуманной архитектуре данных и оптимизированным алгоритмам, разработчикам удалось эффективно преодолеть эти барьеры.
Использование однородного количества соседей для каждой ячейки упростило вычислительные процедуры и обеспечило стабильность работы сетки даже на больших объемах данных. Технически, работа с тетраэдральными сетками требует специализированных методов трассировки лучей, адаптированных под их геометрию и распределение. В отличие от регулярных сеток, где можно использовать простые алгоритмы обхода, в тетраэдрах необходимы вычисления пересечения лучей с треугольными гранями, что, однако, компенсируется меньшим количеством ячеек и оптимальной структурой соседств. Это позволяет достигать высокой точности и реалистичности освещения и теней. Перспективы развития такой технологии связаны с дальнейшим улучшением алгоритмов адаптивности и интеграцией в существующие рендеринговые движки.
![Real-time rendering of animated meshless representations [pdf]](/images/61659DC2-24AD-4B78-852C-43144AF6B02D)
