Iluminación global mediante progressive instant radiosity

La generación de imágenes sintéticas por ordenador es una técnica fuertemente asentada hoy en día en industrias muy diversas, desde la producción cinematográfica a la arquitectura, pasando por los videojuegos y el diseño gráfico. En particular, la síntesis de imágenes fotorrorealistas es un campo de trabajo que recibe enorme atención debido a la complejidad del problema, ya que requiere una simulación físicamente correcta de todas las posibles interacciones de la luz con el medio. Los algoritmos más utilizados para abordar el problema están basados en el muestreo estocásticos de caminos lumínicos, y son capaces de aproximar el transporte de luz de una manera precisa, de modo que son capaces de generar imágenes sintéticas indistinguibles de la realidad. Sin embargo, estos algoritmos tienen un alto coste computacional y requieren tiempos de procesamiento muy largos para producir resultados libres del ruido (varianza) introducido como consecuencia de su naturaleza estocástica. Existe una variante de estos algoritmos estocásticos que aproximan la irradiancia dentro de una escena mediante luces virtuales, denominados instant radiosity. Estos algoritmos presentan una convergencia considerablemente más rápida a imágenes libres de ruido, lo que ha propiciado su adopción en sectores como la industrial del cine, de los videojuegos, así como en numerosos softwares de previsualización de CAD, en detrimiento de otras técnicas. No obstante, a pesar de que estas técnicas son capaces de dar resultados precisos, a menudo se les aplican aproximaciones sesgadas con el fin de evitar ciertos artefactos visuales que afectan fuertemente a la calidad visual de las imágenes producidas. De este modo, se introduce un compromiso entre la varianza y el sesgo introducido por las aproximaciones. En este trabajo proponemos un algoritmo progresivo de naturaleza consistente, que aunque sesgado, converge en el límite a una solución sin varianza y sesgo. Para ello, estudiamos los algoritmos existentes alrededor de la idea de many lights, analizando la varianza que produce los indeseables artefactos visuales, y evaluando qué métodos sesgados existen para reducir dicha varianza: clamping y blur en el dominio espacial. Después, proponemos aproximaciones progresivas que reducen el sesgo en cada iteración del algoritmo, de modo que convergen a una solución sin ruido o sesgo en el límite. Investigaremos las técnicas aplicadas en otras aproximaciones sesgadas de la iluminación global basadas en transporte estocástico de partículas, y las aplicamos en el contexto de la iluminación mediante luces virtuales. Finalmente, desarrollamos una implementación los algoritmos desarrollados y observamos su eficiencia en escenas reales, comparándolos con las técnicas preexistentes y planteando futuros caminos de trabajo

Efficient Many-Light Rendering of Scenes with Participating Media

We present several approaches based on virtual lights that aim at capturing the light transport without compromising quality, and while preserving the elegance and efficiency of many-light rendering. By reformulating the integration scheme, we obtain two numerically efficient techniques; one tailored specifically for interactive, high-quality lighting on surfaces, and one for handling scenes with participating media

Efficient From-Point Visibility for Global Illumination in Virtual Scenes with Participating Media

Sichtbarkeitsbestimmung ist einer der fundamentalen Bausteine fotorealistischer Bildsynthese. Da die Berechnung der Sichtbarkeit allerdings äußerst kostspielig zu berechnen ist, wird nahezu die gesamte Berechnungszeit darauf verwendet. In dieser Arbeit stellen wir neue Methoden zur Speicherung, Berechnung und Approximation von Sichtbarkeit in Szenen mit streuenden Medien vor, die die Berechnung erheblich beschleunigen, dabei trotzdem qualitativ hochwertige und artefaktfreie Ergebnisse liefern

Artistic Path Space Editing of Physically Based Light Transport

Die Erzeugung realistischer Bilder ist ein wichtiges Ziel der Computergrafik, mit Anwendungen u.a. in der Spielfilmindustrie, Architektur und Medizin. Die physikalisch basierte Bildsynthese, welche in letzter Zeit anwendungsübergreifend weiten Anklang findet, bedient sich der numerischen Simulation des Lichttransports entlang durch die geometrische Optik vorgegebener Ausbreitungspfade; ein Modell, welches für übliche Szenen ausreicht, Photorealismus zu erzielen. Insgesamt gesehen ist heute das computergestützte Verfassen von Bildern und Animationen mit wohlgestalteter und theoretisch fundierter Schattierung stark vereinfacht. Allerdings ist bei der praktischen Umsetzung auch die Rücksichtnahme auf Details wie die Struktur des Ausgabegeräts wichtig und z.B. das Teilproblem der effizienten physikalisch basierten Bildsynthese in partizipierenden Medien ist noch weit davon entfernt, als gelöst zu gelten. Weiterhin ist die Bildsynthese als Teil eines weiteren Kontextes zu sehen: der effektiven Kommunikation von Ideen und Informationen. Seien es nun Form und Funktion eines Gebäudes, die medizinische Visualisierung einer Computertomografie oder aber die Stimmung einer Filmsequenz -- Botschaften in Form digitaler Bilder sind heutzutage omnipräsent. Leider hat die Verbreitung der -- auf Simulation ausgelegten -- Methodik der physikalisch basierten Bildsynthese generell zu einem Verlust intuitiver, feingestalteter und lokaler künstlerischer Kontrolle des finalen Bildinhalts geführt, welche in vorherigen, weniger strikten Paradigmen vorhanden war. Die Beiträge dieser Dissertation decken unterschiedliche Aspekte der Bildsynthese ab. Dies sind zunächst einmal die grundlegende Subpixel-Bildsynthese sowie effiziente Bildsyntheseverfahren für partizipierende Medien. Im Mittelpunkt der Arbeit stehen jedoch Ansätze zum effektiven visuellen Verständnis der Lichtausbreitung, die eine lokale künstlerische Einflussnahme ermöglichen und gleichzeitig auf globaler Ebene konsistente und glaubwürdige Ergebnisse erzielen. Hierbei ist die Kernidee, Visualisierung und Bearbeitung des Lichts direkt im alle möglichen Lichtpfade einschließenden "Pfadraum" durchzuführen. Dies steht im Gegensatz zu Verfahren nach Stand der Forschung, die entweder im Bildraum arbeiten oder auf bestimmte, isolierte Beleuchtungseffekte wie perfekte Spiegelungen, Schatten oder Kaustiken zugeschnitten sind. Die Erprobung der vorgestellten Verfahren hat gezeigt, dass mit ihnen real existierende Probleme der Bilderzeugung für Filmproduktionen gelöst werden können

LightSkin: Globale Echtzeitbeleuchtung für Virtual und Augmented Reality

In nature, each interaction of light is bound to a global context. Thus, each observable natural light phenomenon is the result of global illumination. It is based on manifold laws of absorption, reflection, and refraction, which are mostly too complex to simulate given the real-time constraints of interactive applications. Therefore, many interactive applications do not support the simulation of those global illumination phenomena yet, which results in unrealistic and synthetic-looking renderings. This unrealistic rendering becomes especially a problem in the context of virtual reality and augmented reality applications, where the user should experience the simulation as realistic as possible. In this thesis we present a novel approach called LightSkin that calculates global illumination phenomena in real-time. The approach was especially developed for virtual reality and augmented reality applications satisfying several constraints coming along with those applications. As part of the approach we introduce a novel interpolation scheme, which is capable to calculate realistic indirect illumination results based on a few number of supporting points, distributed on model surfaces. Each supporting point creates its own proxy light sources, which are used to represent the whole indirect illumination for this point in a compact manner. These proxy light sources are then linearly interpolated to obtain dense results for the entire visible scene. Due to an efficient implementation on GPU, the method is very fast supporting complex and dynamic scenes. Based on the approach, it is possible to simulate diffuse and glossy indirect reflections, soft shadows, and multiple subsurface scattering phenomena without neglecting filigree surface details. Furthermore, the method can be adapted to augmented reality applications providing mutual global illumination effects between dynamic real and virtual objects using an active RGB-D sensor device. In contrast to existing interactive global illumination approaches, our approach supports all kinds of animations, handling them more efficient, not requiring extra calculations or leading to disturbing temporal artifacts. This thesis contains all information needed to understand, implement, and evaluate the novel LightSkin approach and also provides a comprehensive overview of the related field of research.In der Natur ist jede Interaktion des Lichts mit Materie in einen globalen Kontext eingebunden, weswegen alle natürlichen Beleuchtungsphänomene in unserer Umwelt das Resultat globaler Beleuchtung sind. Diese basiert auf der Anwendung mannigfaltiger Absorptions-, Reflexions- und Brechungsgesetze, deren Simulation so komplex ist, dass interaktive Anwendungen diese nicht in wenigen Millisekunden berechnen können. Deshalb wurde bisher in vielen interaktiven Systemen auf die Abbildung von solchen globalen Beleuchtungsphänomenen verzichtet, was jedoch zu einer unrealistischen und synthetisch-wirkenden Darstellung führte. Diese unrealistische Darstellung ist besonders für die Anwendungsfelder Virtual Reality und Augmented Reality, bei denen der Nutzer eine möglichst realitätsnahe Simulation erfahren soll, ein gewichtiger Nachteil. In dieser Arbeit wird das LightSkin-Verfahren vorgestellt, das es erlaubt, globale Beleuchtungsphänomene in einer Echtzeitanwendung darzustellen. Das Verfahren wurde speziell für die Anwendungsfelder Virtual Reality und Augmented Reality entwickelt und erfüllt spezifische Anforderungen, die diese an eine Echtzeitanwendung stellen. Bei dem Verfahren wird das indirekte Licht durch eine geringe Anzahl von Punktlichtquellen (Proxy-Lichtquellen) repräsentiert, die für eine lose Menge von Oberflächenpunkten (Caches) berechnet und anschließend über die komplette sichtbare Szene interpoliert werden. Diese neue Form der Repräsentation der indirekten Beleuchtung erlaubt eine effiziente Berechnung von diffusen und glänzenden indirekten Reflexionen, die Abbildung von weichen Schatten und die Simulation von Multiple-Subsurface-Scattering-Effekten in Echtzeit für komplexe und voll dynamische Szenen. Ferner wird gezeigt, wie das Verfahren modifiziert werden kann, um globale Lichtwechselwirkungen zwischen realen und virtuellen Objekten in einer Augmented-Reality-Anwendung zu simulieren. Im Gegensatz zu den meisten existierenden Echtzeitverfahren zur Simulation von globalen Beleuchtungseffekten benötigt der hier vorgestellte Ansatz keine aufwändigen zusätzlichen Berechnungen bei Animationen und erzeugt darüber hinaus für diese keine visuellen Artefakte. Diese Arbeit enthält alle Informationen, die zum Verständnis, zur Implementierung und zur Evaluation des LightSkin-Verfahrens benötigt werden und gibt darüber hinaus einen umfassenden Über- blick über das Forschungsfeld