Efficient physically-based shadow algorithms
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2006-09-29
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
51, [46]
Series
Publications in telecommunications software and multimedia. A, 13
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.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.Description
Keywords
computer graphics, shadow algorithms, soft shadows, physically-based rendering, tietokonegrafiikka, varjoalgoritmit, pehmeät varjot, fysiikkapohjainen kuvanlaskenta
Other note
Parts
- T. Aila and S. Laine. Alias-Free Shadow Maps. In Rendering Techniques 2004 (Eurographics Symposium on Rendering), pages 161-166. Eurographics Association, 2004.
- S. Laine and T. Aila. Hierarchical Penumbra Casting. Computer Graphics Forum, 24 (3): 313-322, 2005.
- S. Laine. Split-Plane Shadow Volumes. In Graphics Hardware 2005 (Eurographics Symposium Proceedings), pages 23-32. Eurographics Association, 2005.
- 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.
- J. Lehtinen, S. Laine and T. Aila. An Improved Physically-Based Soft Shadow Volume Algorithm. Computer Graphics Forum, 25 (3): 303-312, 2006.