Adaptive Raymarching and Multi-Sampled Pre-integration on Graphics Hardware: Application to the Visualization of Gyrokinetic Plasmas Simulations

The study of plasmas is a rising research topic in the field of physics. It implies the need for specific algorithms allowing physicists to easily visualize and thus correctly interpret related complex datasets. This paper describes an innovative and highly efficient volume rendering method designed for gyrokinetic simulations. Based on a Raymarching approach that benefits from the latest functionalities offered by current graphics programmable hardware, we exploit the geometrical properties of the tokamak (a physical device used to create plasmas) in order to achieve a rendering at interactive framerates. We therefore introduce a novel and general method for Raymarching volumes with an adaptive step. A good approximation of the rays’ continuous integration is obtained by introducing a Multi-Sampled Pre-integrated table. A comparison with a recent gyrokinetic simulations visualization technique demonstrates the improved efficiency of our approach in terms of framerate and quality. Key-words: graphics hardware, plasma physics, texture-based methods, volume visualization, raymarching, pre-integration ∗ XLIM, UMR CNRS-UNILIM 6172, Limoges, France † LIRIS, UMR CNRS-UCBL 5205, Lyon, France ‡ LSIIT-IGG, UMR CNRS-ULP 7005, Strasbourg, France § CEA-DSM-DRFC, Association Euratom-CEA, Cadarache, France Implantation d’un raymarching adaptatif pour la visualisation de données volumiques issues de simulations gyrocinétiques Résumé : Ce rapport décrit la mise en oeuvre d’une méthode de rendu volumique efficace adaptée aux données volumiques issues d’une simulation gyrocinétique. Cette méthode est basée sur un lancer de rayon adaptatif implanté en utilisant la programmation des cartes graphiques. La géométrie spécifique d’un tokamak (dispositif physique dédié aux plasmas) est exploitée dans le but d’obtenir un rendu interactif. Une bonne approximation de l’intégration du rayon continu est obtenue en introduisant une table de pré-intégration échantillonnée. Une comparaison avec une implantation récente de visualisation de simulations gyrocinétiques est également faite et démontre l’efficacité de notre approche en terme de qualité et de fréquence d’affichage. Mots-clés : Matériel graphique, physique des plasmas, visualisation volumique, raymarching, pré-intégration Adaptative Raymarching and Multi-Sampled Pre-integration on Graphics Hardware 3