BVH 기반 레이 트레이싱 프로젝트

이 프로젝트는 Bounding Volume Hierarchy (BVH)를 사용하여 최적화된 레이 트레이싱 렌더러를 구현합니다. BabylonJS를 기반으로 하며, WebGL 셰이더를 사용하여 GPU에서 레이 트레이싱을 수행합니다.

프로젝트 설정 및 실행 방법

1. 필요한 종속성 설치

   npm install
   

2. 개발 서버 실행

   npm run start
   

3. 브라우저에서 http://localhost:9000 (또는 터미널에 표시된 URL)을 열어 프로젝트를 확인합니다.

프로젝트 미리보기

BVH 미사용	BVH 사용

성능 테스트 결과 (10초 동안 측정)

측정 항목	BVH 미사용	BVH 사용
Frames	124	46
Average FPS	12.39	4.57
Average Frame Time	0.39 ms	0.60 ms
Average Render Time	0.22 ms	0.35 ms
Average Active Meshes Evaluation Time	0.07 ms	0.10 ms
Draw Calls	1	1

현재 구현에서는 BVH를 사용한 경우가 사용하지 않은 경우보다 성능이 낮음을 알 수 있습니다. 이는 다음과 같은 이유로 설명될 수 있습니다:

1. 적은 수의 객체: 현재 장면에는 비교적 적은 수의 구체만 포함되어 있습니다. BVH는 많은 수의 객체가 있을 때 더 효과적이며, 객체 수가 적을 때는 오히려 오버헤드가 될 수 있습니다.
2. 최적화 여지: 현재 BVH 구현은 기본적인 형태로, 추가적인 최적화가 필요할 수 있습니다. 예를 들어, 트리 구조의 깊이 조절, 리프 노드의 크기 최적화 등이 성능 향상에 도움될 수 있습니다.
3. 텍스처 접근 오버헤드: BVH 데이터를 텍스처로 전달하고 GPU에서 이를 읽는 과정이 추가되어, 간단한 장면에서는 이 오버헤드가 성능 저하를 일으킬 수 있습니다.

주요 구현 내용

AABB (Axis-Aligned Bounding Box)

AABB는 AABB.ts에서 구현되었습니다:

• 3D 공간에서 축에 정렬된 경계 상자를 표현합니다.
• 최소점(min)과 최대점(max)으로 정의됩니다.
• 충돌 검사와 BVH 구축에 사용됩니다.

BVH (Bounding Volume Hierarchy)

BVH는 BVHBuilder.ts와 BVHNode.ts에서 구현되었습니다. 주요 특징은 다음과 같습니다:

• SAH (Surface Area Heuristic)를 사용하여 최적의 분할 지점을 찾습니다.
• 재귀적으로 BVH 트리를 구축합니다.
• 각 BVH 노드는 다음 정보를 포함합니다:
  • aabb: Axis-Aligned Bounding Box
  • left: 왼쪽 자식 노드
  • right: 오른쪽 자식 노드
  • primitiveIndices: 프리미티브(구체) 인덱스 배열
• 노드당 최대 프리미티브 수를 제한하고 최대 깊이를 설정하여 트리의 깊이를 조절합니다.

BVH 평탄화

BVHFlattener.ts에서 구현된 BVH 평탄화는 다음과 같은 특징을 가집니다:

• 트리 구조를 1차원 배열로 변환합니다.
• 각 노드는 8개의 float 값으로 표현됩니다. (AABB min/max, 자식 노드 정보 등)
• 평탄화된 구조는 GPU에서 효율적으로 순회할 수 있습니다.

Ray Tracing

레이 트레이싱은 주로 raytracer.fragment.glsl에서 구현되었습니다:

• 카메라 레이 생성
• BVH 순회를 통한 교차 테스트
• 그림자 및 반사 계산
• 간단한 조명 모델 적용

렌더링 파이프라인

Raytracer.ts에서 관리되는 렌더링 파이프라인의 주요 특징은 다음과 같습니다:

• BabylonJS의 ShaderMaterial을 사용하여 커스텀 셰이더 적용
• 평탄화된 BVH 데이터를 Texture로 GPU에 전달
• 카메라 및 장면 정보를 셰이더에 전달

성능 최적화

• BVH를 사용하여 레이-오브젝트 교차 테스트 최적화
• GPU에서 병렬 처리를 위한 셰이더 구현
• 텍스처를 이용한 효율적인 BVH 데이터 전송

향후 개선 사항

• 구체 렌더링의 정확도 향상: 현재 일부 구체가 제대로 표시되지 않는 문제 해결
• 더 복잡한 지오메트리 지원 (예: 삼각형 메시)
• BVH 구축 알고리즘 개선을 통한 성능 향상