Connection Tracing

In diesem Projekt soll eine neue Photorealistische Bilderzeugungsmethode entwickelt werden die auf dem neuen Konzept des `Connection Tracing` beruht. Die neue Methode soll es ermöglichen Bilder von sehr großen und komplexen Szenen mit sehr komplizierter Beleuchtung zu berechnen. Bilder von solchen Szenen können von bisherigen Methoden nicht sehr effizient berechnet werden, da zumeist keine geeigneten Algorithmen zur Handhabung einer großen Zahl von Lichtquellen verwendet werden, und da sie die wichtigen Energietransportpfade, die manchmal Singularitäten im Raum der Energietransporlpfade nahekommen, nur mit sehr großem Zeitaufwand finden können. Die wichtigsten Eigenschaften von Connection Tracing, die es ermöglichen sollen das globale Beleuchtungsproblem effizient für große Szenen zu lösen sind folgende: - Bidirektionalität mit Energietransportpfaden die sowohl von den Lichtquellen als auch vom Augpunkt ausgehen - Verbinden dieser beiden Arten von Energietransportpfaden und Optimierung durch Modifikation - inkrementelle und adaptive Erzeugung von Energietransportpfaden statt limitierender sequentieller Erzeugung - Wiedervewendung von bereits erzeugten Energietransportpfaden - spezielles adaptives Auffinden von wichtigen Lichtquellen - keine diskretisierung der Szene in finite Elemente Es ist vorgesehen die neue Methode zur Entwicklung von Renderingalgorithmen zu verwenden die folgende Eigenschaften besitzen: - hohe Bildqualität - schnelle Hardware-unterstützte Bildberechnung - Parallelität - stochastisches spektrales Sampling - mehrfach streuende Medien Der neue Algorithmus beginnt damit, daß eine Anzahl von Energietransportpfaden sowohl von den Lichtquellen als auch vom Augpunkt aus gestartet werden. Diese Pfade sind am Beginn noch nicht verbunden. Der neue Algorithmus speichert diese Pfade anhand ihrer Streupunkte und berechnet eine Anzahl von Pfaden die die Lichtquellen mit dem Augpunkt verbinden, indem er diejenigen Pfade verbindet deren Streupunkte einander nahekommen. Dieser Vorgang des Verbindens kann dazu führen, daß manche verbundene Pfade aufgrund von stark gerichteter Lichtstreuung an den Oberflächen nur mehr sehr wenig Energie transportiert. Deshalb werden die verbundenen Pfade iterativ modifiziert um die transportierte Energiemenge zu erhöhen. Die Initialmenge von Energietransportfapden wird danach inkrementell verändert, indem an wichtigen Streupunkten neue Pfade abgespalten werden. Die Energiemenge die von jedem Pfad transportiert wird, wird registriert und aus diesen Daten wird ein photorealistisches Bild erzeugt.

Im Rahmen des Projekts P13600-N04 sind mehrere effiziente Methoden zur Simulation globaler Beleuchtung, und zur fotorealistischen und Hardware-beschleunigten Bildgenerierung von komplexen Szenen entstanden: - Eine Photon Map-basierte Radiance Abschätzungs Methode die die Qualität der globalen Beleuchtungs Lösung in der Photon Map-globalen Beleuchtungs Simulation verbessert. - Eine Particle Map-basierte Importance Sampling Technik die die Leistung von stochastischer Ray Tracing- basierter Bildgenerierung und globaler Beleuchtungs Simulation verbessert. - Eine Hardware-beschleunigte Bildgenerierungs Methode die das interaktive Durchschreiten global beleuchteter glänzender Szenen ermöglicht. - Eine Occlusion Culling Technik die das interaktive Durchschreiten auch in großen Szenen ermöglicht. Es hat sich erwiesen daß die Photon Map-globale Beleuchtungs Simulation eine leistungsvolle Methode zur Ray Tracing-basierten Bildgenerierung von global beleuchteten Szenen ist. Dennoch, eine der Schwächen dieser Methode ist bisher gewesen daß sie eine sehr grobe Radiance-Abschätzung verwendet, die Beleuchtungs-Artefakte verursachen kann. Unsere neue Photon Map-basierte Radiance-Abschätzungs Methode vermeidet diese Artefakte indem die tatsächliche Geometrie der beleuchteten Oberflächen berücksichtigt wird. In stochastischem Ray Tracing-basierten Bildgenerierungs und globalen Beleuchtungs Techniken muß eine sehr große Anzahl an Strahlen in die Szene geschossen werden um die globale Beleuchtung und/oder das endgültige Bild zu berechnen. Unsere neue Importance Sampling Technik löst dieses Problem unter Verwendung einer Particle Map, wodurch die Strahlen präzise in Richtungen mit hohem Beitrag geschossen werden. Interaktive Durchschreitungen in global beleuchteten statischen Szenen können realisiert werden indem die berechnungsintensive globale Beleuchtungs Simulation in einem Vorverarbeitungsschritt getan wird. Unsere neue Methode für interaktive Durchschreitungen von leicht glänzenden Szenen lößt dieses Problem mit richtungsabhängigen Light Maps, die effizient mit konventioneller Grafik-Hardware dargestellt werden können. Um in großen Szenen eine Echtzeit-Bildwiederholrate für interaktive Durchschreitungen zu erreichen ist es notwendig effizient zu ermitteln welche Objekte verdeckt sind, damit sie weggelassen werden können. Unsere neue konservative Bildraum-Occlusion Culling Methode erreicht das unter Verwendung eines Lazy Occlusion Grids das effizient mit konventioneller Grafik-Hardware funktioniert.