Theory and algorithms for efficient physically-based illumination

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2007-08-31
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
48, [58]
Series
Publications in telecommunications software and multimedia. A, 20
Abstract
Realistic image synthesis is one of the central fields of study within computer graphics. This thesis treats efficient methods for simulating light transport in situations where the incident illumination is produced by non-pointlike area light sources and distant illumination described by environment maps. We describe novel theory and algorithms for physically-based lighting computations, and expose the design choices and tradeoffs on which the techniques are based. Two publications included in this thesis deal with precomputed light transport. These techniques produce interactive renderings of static scenes under dynamic illumination and full global illumination effects. This is achieved through sacrificing the ability to freely deform and move the objects in the scene. We present a comprehensive mathematical framework for precomputed light transport. The framework, which is given as an abstract operator equation that extends the well-known rendering equation, encompasses a significant amount of prior work as its special cases. We also present a particular method for rendering objects in low-frequency lighting environments, where increased efficiency is gained through the use of compactly supported function bases. Physically-based shadows from area and environmental light sources are an important factor in perceived image realism. We present two algorithms for shadow computation. The first technique computes shadows cast by low-frequency environmental illumination on animated objects at interactive rates without requiring difficult precomputation or a priori knowledge of the animations. Here the capability to animate is gained by forfeiting indirect illumination. Another novel shadow algorithm for off-line rendering significantly enhances a previous physically-based soft shadow technique by introducing an improved spatial hierarchy that alleviates redundant computations at the cost of using more memory. This thesis advances the state of the art in realistic image synthesis by introducing several algorithms that are more efficient than their predecessors. Furthermore, the theoretical contributions should enable the transfer of ideas from one particular application to others through abstract generalization of the underlying mathematical concepts.

Tämä tutkimus käsittelee realististen kuvien syntetisointia tietokoneella tilanteissa, jossa virtuaalisen ympäristön valonlähteet ovat fysikaalisesti mielekkäitä. Fysikaalisella mielekkyydellä tarkoitetaan sitä, että valonlähteet eivät ole idealisoituja eli pistemäisiä, vaan joko tavanomaisia pinta-alallisia valoja tai kaukaisia ympäristövalokenttiä (environment maps). Väitöskirjassa esitetään uusia algoritmeja, jotka soveltuvat matemaattisesti perusteltujen valaistusapproksimaatioiden laskentaan erilaisissa käyttötilanteissa. Esilaskettu valonkuljetus on yleisnimi reaaliaikaisille menetelmille, jotka tuottavat kuvia staattisista ympäristöistä siten, että valaistus voi muuttua ajon aikana vapaasti ennalta määrätyissä rajoissa. Tässä työssä esitetään esilasketulle valonkuljetukselle kattava matemaattinen kehys, joka selittää erikoistapauksinaan suuren määrän aiempaa tutkimusta. Kehys annetaan abstraktin lineaarisen operaattoriyhtälön muodossa, ja se yleistää tunnettua kuvanmuodostusyhtälöä (rendering equation). Työssä esitetään myös esilasketun valonkuljetuksen algoritmi, joka parantaa aiempien vastaavien menetelmien tehokkuutta esittämällä valaistuksen funktiokannassa, jonka ominaisuuksien vuoksi ajonaikainen laskenta vähenee huomattavasti. Fysikaalisesti mielekkäät valonlähteet tuottavat pehmeäreunaisia varjoja. Työssä esitetään uusi algoritmi pehmeiden varjojen laskemiseksi liikkuville ja muotoaan muuttaville kappaleille, joita valaisee matalataajuinen ympäristövalokenttä. Useimmista aiemmista menetelmistä poiketen algoritmi ei vaadi esitietoa siitä, kuinka kappale voi muuttaa muotoaan ajon aikana. Muodonmuutoksen aiheuttaman suuren laskentakuorman vuoksi epäsuoraa valaistusta ei huomioida. Työssä esitetään myös toinen uusi algoritmi pehmeiden varjojen laskemiseksi, jossa aiemman varjotilavuuksiin (shadow volumes) perustuvan algoritmin tehokkuutta parannetaan merkittävästi uuden hierarkkisen avaruudellisen hakurakenteen avulla. Uusi rakenne vähentää epäoleellista laskentaa muistinkulutuksen kustannuksella. Työssä esitetään aiempaa tehokkaampia algoritmeja fysikaalisesti perustellun valaistuksen laskentaan. Niiden lisäksi työn esilaskettua valonkuljetusta koskevat teoreettiset tulokset yleistävät suuren joukon aiempaa tutkimusta ja mahdollistavat näin ideoiden siirron erityisalalta toiselle.
Description
Keywords
computer graphics, shading, global illumination, indirect illumination, precomputed radiance transfer, tietokonegrafiikka, realistinen kuvasynteesi, esilaskettu valonkuljetus, varjoalgoritmit
Other note
Parts
  • J. Lehtinen. A Framework for Precomputed and Captured Light Transport. ACM Transactions on Graphics, accepted for publication, ACM Press, 36 pages.
  • J. Lehtinen and J. Kautz. Matrix Radiance Transfer. In Proceedings of ACM Siggraph 2003 Symposium on Interactive 3D Graphics, pages 59-64, ACM Press, 2003.
  • J. Kautz, J. Lehtinen and T. Aila. Hemispherical Rasterization for Self-Shadowing of Dynamic Objects. In Rendering Techniques 2004 (Eurographics Symposium on Rendering), pages 179-184, Eurographics Association, 2004.
  • J. Lehtinen, S. Laine and T. Aila. An Improved Physically-Based Soft Shadow Volume Algorithm. Computer Graphics Forum, 25 (3): 303-312, Eurographics Association, 2006.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-010427