효율적인 3D 가우시안 렌더링을 위한 하이브리드 및 계층적 레이 트레이싱 방법

3D Gaussian Splatting (3DGS)은 실시간 신경 재구성 및 렌더링을 위한 강력한 표현 방식입니다. 기존의 3DGS 시스템이 효율성을 위해 라스터화(rasterization)에 의존하는 반면, 최근 연구에서는 보조 조명(secondary lighting), 심하게 왜곡된 카메라, 깊이-장면 효과(depth-of-field effects)를 구현하기 위해 레이 트레이싱을 탐구하고 있습니다. 하지만 라스터화와 비교했을 때, 레이 트레이스된 3DGS는 세 가지 주요 과제를 안고 있습니다: (1) 방대한 수의 가우시안 프리미티브들의 매우 불균일한 공간 분포가 심각한 부하 불균형(load imbalance)을 초래합니다. (2) 인접한 픽셀들이 종종 매우 유사한 순회 경로를 가진 레이들을 생성하여 상당한 중복 순회 오버헤드(redundant traversal overhead)를 발생시킵니다. 그리고 (3) 가우시안과 삼각형 프리미티브 둘 다를 지원하는 것은 기존 GPU 아키텍처에 잘 맞지 않는 이질적인 교차 작업 부하(heterogeneous intersection workloads)를 야기합니다. 본 논문에서는 효율적인 3D 가우시안 렌더링을 위한 하이브리드 및 계층적 레이 트레이싱 아키텍처인 H2-Ray를 제시합니다. H2-Ray는 세 가지 기술을 도입합니다. 부하 균형 공간 BVH(Load-Balanced Spatial BVH, LB-SBVH)는 장면을 균일한 그리드로 분할하고 밀도 인식 표현(density-aware representations)을 사용하여 불균형한 전역 작업 부하를 균형 잡힌 지역 순회 단위로 변환합니다. 레이 클러스터 경로 재사용(Ray-Cluster Path Reuse, RCPR)은 프록시 레이가 인접한 레이들과 순회 상태를 공유하여 중복 순회를 상각(amortize)할 수 있게 합니다. 통합 교차 엔진(Unified Intersection Engine, UIE)은 모드 다중화된 데이터 경로(mode-multiplexed datapath)를 통해 혼합된 가우시안 및 삼각형 교차를 지원하며, 이 과정에서 플로팅 포인트 유닛(floating-point units)의 40%를 두 프리미티브 유형에 걸쳐 공유합니다. H2-Ray는 NVIDIA RTX A5000에서 RaySplats와 비교했을 때, 기하학 평균 속도 향상(geometric-mean speedup) 3.77배 및 최대 속도 향상 9.26배를 달성했습니다. 이 측정은 수정된 RT Core의 사이클 정확도 모델과 측정한 CUDA 타이밍을 결합하여 이루어졌습니다.