FIRE-3DV: Framework-Independent Rendering Engine for 3D Graphics using Vulkan

要約

インタラクティブ ダイナミック シミュレータは、新しいロボット制御アルゴリズムや人間とロボットが関与する複雑なシステムを開発するためのアクセラレータです。
ユーザー トレーニングおよび合成データ生成アプリケーションでは、シミュレーションからの忠実度の高い視覚化が不可欠です。
しかし、ロボット シミュレーターでは、シミュレーションとのリアルタイム インタラクションを維持するために、レンダリング アルゴリズムが制限されることがよくあります。
グラフィックス プロセッシング ユニット (GPU) の進歩により、パフォーマンスを損なうことなく視覚化が向上します。
ただし、これらの進歩は、GPU とのインターフェースに従来のグラフィックス アプリケーション プログラミング インターフェイス (API) を使用するシミュレーション フレームワークでは完全に活用できません。
このペーパーでは、他のシミュレーション フレームワークと簡単に統合して視覚化を強化できる、最新の Vulkan グラフィックス API をサポートするパフォーマンス重視の軽量レンダリング エンジンについて説明します。
提案された方法を説明するために、私たちのエンジンは、インタラクティブなロボティクス シミュレーション開発に広く使用されている動的シミュレーション フレームワークである非同期マルチボディ フレームワーク (AMBF) のレガシー レンダリング パイプラインを最新化するために使用されます。
この新しいレンダリング エンジンは、物理ベース レンダリング (PBR)、アンチエイリアシング、レイ トレース シャドウなどのグラフィック機能を実装し、AMBF の画像忠実度を大幅に向上させます。
計算実験の結果、このエンジンは GPU の計算時間を 2 ミリ秒以内に維持しながら、700 万個を超える三角形を含むシミュレートされたシーンをレンダリングできることがわかりました。

要約(オリジナル)

Interactive dynamic simulators are an accelerator for developing novel robotic control algorithms and complex systems involving humans and robots. In user training and synthetic data generation applications, high-fidelity visualizations from the simulation are essential. Yet, robotic simulators often limit their rendering algorithms to preserve real-time interaction with the simulation. Advancements in Graphics Processing Units (GPU) enable improved visualization without compromising performance. However, these advancements cannot be fully leveraged in simulation frameworks that use legacy graphics application programming interfaces (API) to interface with the GPU. This paper presents a performance-focused and lightweight rendering engine supporting the modern Vulkan graphics API that can be easily integrated with other simulation frameworks to enhance visualizations. To illustrate the proposed method, our engine is used to modernize the legacy rendering pipeline of the Asynchronous Multi-Body Framework (AMBF), a dynamic simulation framework used extensively for interactive robotics simulation development. This new rendering engine implements graphical features such as physically based rendering (PBR), anti-aliasing, and ray-traced shadows, significantly improving the image fidelity of AMBF. Computational experiments show that the engine can render a simulated scene with over seven million triangles while maintaining GPU computation times within two milliseconds.

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