Master of Science

thesisVirtual point lights (VPLs) provide an effective solution to global illumination computation by converting the indirect illumination into direct illumination from many virtual light sources. This approach results in a less noisy image compare to Monte Carlo methods. In addition, the number of VPLs to generate can be specified in advance; therefore, it can be adjusted depending on the scene, desired quality, time budget, and the available computational power. In this thesis, we investigate a new technique that carefully places VPLs for providing improved rendering quality for computing global illumination using VPLs. Our method consists of three different passes. In the first pass, we randomly generate a large number of VPLs in the scene starting from the camera to place them in positions that can contribute to the final rendered image. Then, we remove a considerable number of these VPLs using a Poisson disk sample elimination method to get a subset of VPLs that are uniformly distributed over the part of the scene that is indirectly visible to the camera. The second pass is to estimate the radiant intensity of these VPLs by performing light tracing starting from the original light sources in the scene and scatter the radiance of light rays at a hit-point to the VPLs close to that point. The final pass is rendering the scene, which consists of shading all points in the scene visible to the camera using the original light sources and VPLs

Sequential Monte Carlo Instant Radiosity

Instant Radiosity and its derivatives are interactive methods for efficiently estimating global (indirect) illumination. They represent the last indirect bounce of illumination before the camera as the composite radiance field emitted by a set of virtual point light sources (VPLs). In complex scenes, current algorithms suffer from a difficult combination of two issues: it remains a challenge to distribute VPLs in a manner that simultaneously gives a high-quality indirect illumination solution for each frame, and does so in a temporally coherent manner. We address both issues by building, and maintaining over time, an adaptive and temporally coherent distribution of VPLs in locations where they bring indirect light to the image. We introduce a novel heuristic sampling method that strives to only move as few of the VPLs between frames as possible. The result is, to the best of our knowledge, the first interactive global illumination algorithm that works in complex, highly-occluded scenes, suffers little from temporal flickering, supports moving cameras and light sources, and is output-sensitive in the sense that it places VPLs in locations that matter most to the final result

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

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