Learning Centre

Efficient physically-based shadow algorithms

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.author Laine, Samuli
dc.date.accessioned 2012-02-24T07:43:19Z
dc.date.available 2012-02-24T07:43:19Z
dc.date.issued 2006-09-29
dc.identifier.isbn 951-22-8358-1
dc.identifier.issn 1455-9722
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/2768
dc.description.abstract This research focuses on developing efficient algorithms for computing shadows in computer-generated images. A distinctive feature of the shadow algorithms presented in this thesis is that they produce correct, physically-based results, instead of giving approximations whose quality is often hard to ensure or evaluate. Light sources that are modeled as points without any spatial extent produce hard shadows with sharp boundaries. Shadow mapping is a traditional method for rendering such shadows. A shadow map is a depth buffer computed from the scene, using a point light source as the viewpoint. The finite resolution of the shadow map requires that its contents are resampled when determining the shadows on visible surfaces. This causes various artifacts such as incorrect self-shadowing and jagged shadow boundaries. A novel method is presented that avoids the resampling step, and provides exact shadows for every point visible in the image. The shadow volume algorithm is another commonly used algorithm for real-time rendering of hard shadows. This algorithm gives exact results and does not suffer from any resampling problems, but it tends to consume a lot of fillrate, which leads to performance problems. This thesis presents a new technique for locally choosing between two previous shadow volume algorithms with different performance characteristics. A simple criterion for making the local choices is shown to yield better performance than using either of the algorithms alone. Light sources with nonzero spatial extent give rise to soft shadows with smooth boundaries. A novel method is presented that transposes the classical processing order for soft shadow computation in offline rendering. Instead of casting shadow rays, the algorithm first conceptually collects every ray that would need to be cast, and then processes the shadow-casting primitives one by one, hierarchically finding the rays that are blocked. Another new soft shadow algorithm takes a different point of view into computing the shadows. Only the silhouettes of the shadow casters are used for determining the shadows, and an unintrusive execution model makes the algorithm practical for production use in offline rendering. The proposed techniques accelerate the computing of physically-based shadows in real-time and offline rendering. These improvements make it possible to use correct, physically-based shadows in a broad range of scenes that previous methods cannot handle efficiently enough. en
dc.description.abstract Tämä tutkimus käsittelee tehokkaita algoritmeja varjojen laskemiseksi tietokonegrafiikassa. Väitöskirjassa esitettyjen algoritmien keskeinen piirre on niiden tuottamien varjojen fysikaalisesti perusteltavissa oleva oikeellisuus. Tämä erottaa ne approksimatiivisista algoritmeista, joiden tuottamien varjojen laatua on usein vaikea arvioida tai taata. Pistemäiset valonlähteet tuottavat ns. kovia varjoja, joiden reunat ovat teräviä. Varjokartta-algoritmi (shadow mapping) on perinteinen menetelmä tämänkaltaisten varjojen piirtämiseen. Varjokartta on valonlähteestä katsoen laskettu syvyyspuskuri. Koska varjokartan resoluutio on äärellinen, sen uudelleennäytteistys varjokyselyvaiheessa aiheuttaa monenlaisia virheitä kuvaan, kuten pintojen virheellistä itsevarjostusta ja sahalaitaisia varjoreunoja. Tässä työssä esitellään uusi menetelmä, joka välttää uudelleennäytteistysvaiheen ja tuottaa siten tarkat varjot kaikkiin kuvassa näkyviin pisteisiin. Varjotilavuusalgoritmi (shadow volumes) on toinen usein käytetty menetelmä kovien varjojen reaaliaikaiseen piirtämiseen. Se tuottaa tarkat varjot ja välttää uudelleennäytteistyksestä aiheutuvat ongelmat,mutta vaatii paljon laskentaresursseja,mikä puolestaan johtaa tehokkuusongelmiin. Tässä työssä esitellään uusi tekniikka, joka valitsee kuva-avaruudessa paikallisesti kahden aikaisemman varjotilavuusmenetelmän käytön välillä. Kun valitaan aina paikallisesti tehokkaammaksi arvioitu menetelmä, saavutetaan parempi tehokkuus kuin käyttämällä kumpaakaan menetelmää yksinään. Ei-pistemäiset valonlähteet tuottavat pehmeäreunaisia varjoja. Työssä esitellään uusi algoritmi, joka kääntää perinteisen pehmeiden varjojen laskentamenetelmän järjestyksen päinvastaiseksi. Sen sijaan, että tarkasteltaisiin yksittäisten varjosäteiden näkyvyyttä, algoritmi kokoaa ensin tiedon kaikista tarvittavista varjosäteistä, minkä jälkeen varjostavat primitiivit käsitellään yksitellen ja haetaan niiden peittämät varjosäteet. Toinen esiteltävä pehmeiden varjojen laskenta-algoritmi laskee varjot eri tavalla. Vain varjostavien kappaleiden siluetteja käytetään varjojen laskentaan, ja käytännöllinen laskentajärjestys mahdollistaa algoritmin helpon soveltamisen osana käytännön kuvanlaskentajärjestelmiä. Esitellyt tekniikat nopeuttavat fysikaalisesti oikeiden varjojen laskentaa sekä reaaliaikaisissa että ei-reaaliaikaisissa sovelluksissa. Tämä mahdollistaa tarkkojen, fysikaalisesti oikeiden varjojen käytön useissa tilanteissa, joissa aiempien menetelmien tehokkuus ei ole riittävä. fi
dc.format.extent 51, [46]
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en en
dc.publisher Helsinki University of Technology en
dc.publisher Teknillinen korkeakoulu fi
dc.relation.ispartofseries Publications in telecommunications software and multimedia. A en
dc.relation.ispartofseries 13 en
dc.relation.haspart T. Aila and S. Laine. Alias-Free Shadow Maps. In Rendering Techniques 2004 (Eurographics Symposium on Rendering), pages 161-166. Eurographics Association, 2004.
dc.relation.haspart S. Laine and T. Aila. Hierarchical Penumbra Casting. Computer Graphics Forum, 24 (3): 313-322, 2005.
dc.relation.haspart S. Laine. Split-Plane Shadow Volumes. In Graphics Hardware 2005 (Eurographics Symposium Proceedings), pages 23-32. Eurographics Association, 2005.
dc.relation.haspart S. Laine, T. Aila, U. Assarsson, J. Lehtinen and T. Akenine-Möller. Soft Shadow Volumes for Ray Tracing. ACM Transactions on Graphics, 24 (3): 1156-1165, 2005.
dc.relation.haspart J. Lehtinen, S. Laine and T. Aila. An Improved Physically-Based Soft Shadow Volume Algorithm. Computer Graphics Forum, 25 (3): 303-312, 2006.
dc.subject.other Computer science en
dc.title Efficient physically-based shadow algorithms en
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.description.version reviewed en
dc.contributor.department Department of Computer Science and Engineering en
dc.contributor.department Tietotekniikan osasto fi
dc.subject.keyword computer graphics en
dc.subject.keyword shadow algorithms en
dc.subject.keyword soft shadows en
dc.subject.keyword physically-based rendering en
dc.subject.keyword tietokonegrafiikka fi
dc.subject.keyword varjoalgoritmit fi
dc.subject.keyword pehmeät varjot fi
dc.subject.keyword fysiikkapohjainen kuvanlaskenta fi
dc.identifier.urn urn:nbn:fi:tkk-008260
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.contributor.lab Telecommunications Software and Multimedia Laboratory en
dc.contributor.lab Tietoliikenneohjelmistojen ja multimedian laboratorio fi


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse