The Remote Rendering Pipeline - Managing Geometry and Bandwidth in Distributed Virtual Environments

Abstract

Der Beitrag dieser Dissertation liegt dort, wo sich interaktive dreidimensionale Computergraphik und verteilte Systeme überschneiden. Virtual Environments beschäftigen sich mit der glaubhaften Simulation von virtuellen Welten. Der vielversprechendste Aspekt dieser Methode ist die Möglichkeit, Menschen in virtuellen Umgebungen zusammenzuführen. Gegen die derzeitigen Beschränkungen in Netzwerkdurchsatz und -bandbreite können Algorithmen angepaßt und erweitert werden, die bereits für interaktive Graphik erfolgreich eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang wird das Konzept der Remote Rendering Pipeline vorgestellt, einer Erweiterung der traditionellen Rendering Pipeline, die eine Netzwerkübertragung der Graphikdaten miteinschließt. Die Optimierung der Abschnitte dieser Pipeline ergibt ein Graphiksystem, das komplexe und interessante virtuelle Welten darstellen kann. Nach einer Erörterung des Standes der Forschung in den Bereichen interaktive dreidimensionale Graphik und verteilte virtuelle Welten wird die Remote Rendering Pipeline vorgestellt, ein konzeptuelles Modell für verteilte graphische Systeme. Die Elemente dieser Pipeline werden in den folgenden Kapiteln beschrieben: das bedarfsgesteuerte Geometrie-Übertragungs-Protokoll, eine Strategie zur Verwaltung von teilweise replizierten geometrischen Datenbanken ein Octreebasierter Detailstufengenerator Smooth Levels of Detail, eine neue Datenstruktur für die schrittweise Codierung und Übertragung von polygonalen Objekten und ein Modellierung- und Darstellungs-Softwarewerkzeug für gerichtete zyklische Graphen, die eine kompakte Darstellung einer wichtigen Klasse von natürlichen Phänomenen gestattet. - The contribution of this thesis is at the place where interactive 3-D computer graphics and distributed systems meet. Virtual Environments are concerned with the convincing simulation of a virtual world. One of the most promising aspects of this approach lies in its potential as a way of bringing people together, as a virtual meeting place. To overcome current restrictions in network performance and bandwidth, techniques that have already been used for improving the rendering performance for virtual reality applications can be adopted and enhanced. In this context, we develop the concept of the Remote Rendering Pipeline, that extends the traditional rendering pipeline for interactive graphics to include the network transmission of geometry data. By optimizing the steps of the Remote Rendering Pipeline, and combining these improvements, a system that is better prepared to deal with complex and interesting virtual worlds emerges. After a discussion of the state of the art in the fields of interactive 3-D graphics and distributed virtual environments, the Remote Rendering Pipeline is introduced, a conceptual model of rendering in distributed systems. Its elements are discussed in the following chapters: the demanddriven geometry transmission protocol, a strategy for managing partially replicated geometry databases for virtual environments an octree-based level of detail generator smooth levels of detail, a novel data structure for incremental encoding and transmission of polygonal objects and a modeling and rendering toolkit for directed cyclic graphs allowing a compact representation of a large class of natural phenomena.