Entwicklung eines Systems für verteiltes, paralleles Echtzeit-Raytracing

Abstract

Das Projekt "`Virtual Reality for On-Orbit Servicing"' hat die Simulation von Wartungsarbeiten an Satelliten im Erdorbit als Ziel. Dafür werden Methoden der Virtuellen Realität eingesetzt. Für die Visualisierung existiert ein Raytracer, der auf einem einzelnen Computer läuft. Dieser erreichte aber nicht die nötigen interaktiven Bildwiederholraten von 30 Bildern pro Sekunde bei HD-Auflösung. Da jedoch solche Bildraten nötig sind, um als Benutzer sinnvoll mit der Simulation interagieren zu können, wird in der vorliegenden Arbeit untersucht, ob der benutzte Raytracer auch in einem Clustersystem zum Einsatz kommen kann, um Ausschnitte des Bildes parallel zu berechnen und die Rechenzeit zu reduzieren. Die Software muss dafür jedoch angepasst und erweitert werden: Für die Benutzung eines Clusters wird die Software in ein Backend und ein Frontend aufgeteilt. Im Backend wird eine Master-Slave-Architektur eingesetzt. Der bisherige Raytracer wird für ein verteiltes, paralleles Berechnen der einzelnen Bilder in die Slaves integriert. Außerdem müssen geeignete Algorithmen für die Aufteilung des Bildes entwickelt und implementiert werden. Abschließend muss die Möglichkeit geschaffen werden, die großen Datenmengen, welche durch die HD-Bilder entstehen, zu einem anzeigenden Computer effektiv zu transportieren. Der entwickelte verteilte, parallele Raytracer benutzt einen dynamischen Bildaufteiler, um die Bilder so an die einzelnen Raytracerprozesse zu verteilen, dass deren Berechnungszyklen annähernd ausgeglichen sind. Die Synchronisation auf dem Cluster wird mit MPI realisiert. Für die Komprimierung der Bilder und dem effizienten Senden an das Frontend wird ein H.264 Encoder eingesetzt. Die Bildwiederholraten konnten im Verhältnis zum vorherigen einzelnen Raytracer in HD-Auflösung fast vervierfacht werden. Durch die aufgezeigten Optimierungsmöglichkeiten sind auch interaktive Bildraten in absehbarer Zeit zu erreichen.