Computergenerierte Objekte und Szenen in Filmen, Werbung und Computerspielen zeichnen sich durch einen hohen Realisumus aus. Diese können kaum noch durch den Betrachter von klassisch fotografierten Objekten unterschieden werden. Dabei sind Effekte wie globale Beleuchtung, Kaustiken sowie Bewegungs- und Tiefenunschärfe integrale Bestandteile für eine realistische Darstellung. Es existieren zwei unterschiedliche Verfahren zur Erzeugung solcher Bilder. Die Verfolgung von Strahlen (Ray tracing im folgendem genannt) wird im Bereich der fotorealistischen Bildsynthese für Filme eingesetzt. Dabei ist die Bildqualität und physikalische Korrektheit entscheidend. Die Berechnung eines einzelnen Bildes kann mehrere Minuten oder auch Stunden dauern, spielt aber im Gegensatz zur Korrektheit nur eine untergeordnete Rolle. Rasterisierung auf der anderen Seite findet hauptsächlich Verwendung im Bereich der Computerspiele und anderer interaktiver Medien. Oft kommen dabei vereinfachte Modelle und Verfahren zum Einsatz, die schnell ein glaubwürdiges Bild erzeugen und wichtige Effekte aufgrund der limitierten Rechenzeit nur approximieren.

Die Dissertation beleuchetet neue Algorithmen für interaktive Anwendungen mit dem Ziel, die visuelle Qualität und Korrektheit von Ray tracing basierten Verfahren zu erreichen. Dazu ist die Dissertation in zwei Teile gegliedert. Im erste Teil werden Algorithmen und Lastverteilungsverfahren für Grafikkarten untersucht. Für Algorithmen wie Bidirectionales Path Tracing oder die Konstruktion von KD-Bäumen als Beschleunigungsstruktur kann der Speicherverbrauch nicht zum Startzeitpunkt angegeben werden und ist abhängig von Eingabedaten. Dynamische Speicherverwaltung kann das Problem minimieren. Bei der Verwendung massiv paralleler Hardware ist darauf zu achten, dass der Zustand der Speicherverwaltung immer konsistent ist. Dies erfolgt mittels Synchronisationobjekten, deren Verwendung aber Performanceeinbußen hervorrufen. Wir präsentieren ein Verfahren, welches den Synchronisationsaufwand auf massiv paralleler Hardware signifikant reduziert. Im Speziellen werden einzelne Allokationsaufrufe unterschiedlicher nebenläufiger Threads zusammengefasst. Durch weitere restriktive Anforderungen an die Anwendung, etwa das Freigeben von Speicher am Ende des Programms, kann die Laufzeit verbessert werden. Im Bereich der Filmproduktion ist der Rechenaufwand zur Bildgenerierung besonders hoch. Daher werden häufig CPU Rechnerverbünde eingesetzt, um den zeitlichen Aufwand zu reduzieren. Im Zuge dieser Arbeit präsentieren wir ein System zur dynamischen Lastverteilung in Grafikkarten basierten Rechnerverbünden. Das Verfahren minimiert speziell die Antwortzeit interaktiver Anwendungen.

Im zweiten Abschnitt der Dissertation kombinieren wir Ray tracing basierte Verfahren mit Rasterisierung um die Bildqualität für interaktive Anwendungen zu verbessern. Wir stellen dazu eine adaptive Beschleunigungsstruktur für Ray tracing Verfahren im Bildraum vor. Die Struktur approximiert dabei die sichtbare Szenengeometrie anhand von Flächen. Der Vorteil ist ein schneller Ausschluss von Leerraum innerhalb der Geometrie, die nicht durch einen Strahl getroffen werden. Desweiteren kann der Ansatz einen exakten Schnittpunkt, basierend auf der Approximation der Fläche, berechnen. Das Verfahren erlaubt es uns komplexe Phänomene, wie Tiefenunschärfe und korrekte Reflektionen auf rauen Oberflächen, in Echtzeit zu simulieren. Um Bewegungsunschärfe in Kombination mit transparenten und opaquen Objekten zu simulieren haben wir einen auf Ray tracing basierenden Algorithmus entwickelt. Dieser trennt das Samplen der Raum- von der Zeitkomponente. Es ermöglicht uns durch die Wiederverwendung von sichtbaren Fragmenten interaktive Bildwiederholraten zu erreichen. Die zu jedem Zeitpunkt eines Bildes potenziell sichtbare Szenengeometrie wird rasterisiert. Im Anschluss erfolgt das räumliche Sampling um alle Fragmente zu ermitteln, die einen Sichtstrahl schneiden. Sichtstrahlen werden dabei anhand der Linse der Kamera erzeugt, um Tiefenunschärfe zu simulieren können. Abschließend wird die zeitliche Komponente evaluiert, der Farbwert berechnet und alle Fragmente eines Pixels akkumuliert.