Interactive diffuse global illumination discretization methods for dynamic environments

Abstract

Ο υπολογισμός του διάχυτου Καθολικού Φωτισμού βρίσκει ακόμη περιορισμένη χρήση σε διαδραστικές εφαρμογές, λόγω του υπολογιστικού κόστους της επίλυσης της εξίσωσης φωτο-ρεαλιστικής απεικόνισης φωτισμού σε δυναμικά περιβάλλοντα. Οι λύσεις που προτείνονται στην εργασία αυτή βασίζονται σε προσεγγίσεις που εστιάζονται σε μεθόδους διακριτοποίησης του προβλήματος. Πρώτα θεωρήσαμε τη δημιουργία μίας διακριτοποιημένης αναπαράστασης της συνάρτησης ορατότητας γύρω από ένα αντικείμενο, καθώς ο ακριβής υπολογισμός της είναι δαπανηρός σε πραγματικό χρόνο. Στη συνέχεια εξετάσαμε τη δημιουργία μίας διακριτοποιημένης αναπαράστασης του εισερχόμενου φωτός, προκειμένου να εκτιμηθούν οι διάχυτες αλληλεπιδράσεις από πολλαπλές αναπηδήσεις του φωτός. Τέλος, μελετήθηκε η δημιουργία μίας διακριτοποιημένης αναπαράστασης της γεωμετρίας της σκηνής για να χρησιμοποιηθεί για την επιτάχυνση της παραπάνω διαδικασίας. Για την επιτάχυνση του υπολογισμού της εξίσωσης ορατότητας της εξίσωσης φωτισμού σε δυναμικές σκηνές, προϋπολογίσαμε την ορατότητα, όπως αυτή φαίνεται από το περιβάλλον, πάνω στη σφαίρα που περιβάλλει το αντικείμενο και την κωδικοποιήσαμε σε χάρτες. Η εξίσωση ορατότητας κωδικοποιείται από ένα τετραδιάστατο πεδίο, που περιγράφει την απόσταση του αντικειμένου σε κάθε κατεύθυνση για όλα τα δείγματα θέσης σε μια σφαίρα γύρω από το αντικείμενο. Έτσι, ήμασταν σε θέση να επιταχύνουμε τον υπολογισμό των περισσότερων αλγορίθμων που χρησιμοποιούν ακτίνες ορατότητας σε τιμές πραγματικού χρόνου. Προκειμένου να εκτιμηθούν οι αλληλεπιδράσεις του διάχυτου φωτισμού σε δυναμικά περιβάλλοντα εξετάσαμε τη δημιουργία μίας διακριτοποιημένης αναπαράστασης του εισερχόμενου φωτός. Χρησιμοποιήσαμε το μοντέλο φωτισμού Εικονικό Σημειακό Φως (ΕΣΦ), που αντιπροσωπεύει έμμεσο φωτισμό ως άμεσο φωτισμό από ένα σύννεφο από σημειακά φώτα, τοποθετημένα στην ογκο-αναπαράσταση μιας σύνθετης σκηνής. Σε αντίθεση με άλλες πραγματικού χρόνου προσεγγίσεις που βασίζονται σε ΕΣΦ, η μέθοδός μας χειρίζεται ορατότητα (σκίαση και συγκάλυψη) που προκαλείται από την παρεμβολή της γεωμετρίας και είναι σε θέση να εκτιμήσει διάχυτες αντανακλάσεις από πολλές αναπηδήσεις φωτός επιπροσθέτως της ενέργειας από εκπέμπων υλικά. Καθώς το σημείο συμφόρησης της ΕΣΦ προσέγγισης ήταν η δημιουργία του όγκου της σκηνής, ερευνήσαμε την διακριτοποίηση της γεωμετρίας για δυναμικά περιβάλλοντα. Αναπτύξαμε δύο μοντέλα πραγματικού χρόνου για τη διακριτοποίηση της επιφάνειας της γεωμετρίας καθώς και μία προσωρινή αποθηκευτική δομή δεδομένων όγκου, το Καταχωρητή Όγκου, η οποία ενσωματώνει λειτουργικότητα, αποθήκευση και πρόσβαση παρόμοια με ένα αντικείμενο καταχωρητή εικόνας, αλλά για τρισδιάστατα δεδομένα. Ο Καταχωρητής Όγκου μπορεί να συσσωρεύονται μέχρι 1024 δυφία αυθαίρετων στοιχείων ανά ογκο-στοιχείο, όπως απαιτείται από τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Ο αποτελεσματικός αλγόριθμος της δημιουργίας ογκο-στοιχείων, επιτρέπει τη γρήγορη δημιουργία αυθαίρετων δεδομένων όγκου και είναι εύκολο να ενταχθεί σε υφιστάμενα πλαίσια, με αποτέλεσμα να είναι σε θέση να παράγει φωτισμό από πολλαπλές αναπηδήσεις φως. Επιπλέον, εισήγαγαμε την έννοια της Επαυξητικής δημιουργίας ογκοστοιχείων για τον σχηματισμό πλειότιμων δεδομένων όγκου πλήρως δυναμικών σκηνών. Όπου οι σημερινοί αλγόριθμοι δημιουργίας ογκο-στοιχείων με βάση την εικόνα, αναγεννούν επανειλημμένα τον όγκο χρησιμοποιώντας ένα μεμονωμένο καρέ, εμείς ενημερώνουμε σταδιακά τα εγκο-στοιχεία χρησιμοποιώντας πολλά καρέ και ως εκ τούτου, παράγουμε έναν πολύ πιο πλήρη δομή ογκο-στοιχείων της σκηνής, προσφέροντας βελτιωμένη ποιότητα και σταθερότητα με πολύ μικρή επιβάρυνση.

Global illumination still finds limited use in interactive applications due to the overwhelming computational cost of solving for the transport of light in dynamic scenes, which is normally estimated in graphics through the Rendering equation. The solutions proposed in this dissertation are based on approximations that concentrate on discretization methods of the problem domain. First we considered the creation of a discretized representation of the visibility function around an object, as the exact visibility computation is expensive to compute in real-time. Then we examined the creation of a discretized representation of the incoming light in order to estimate diffuse interactions from multiple light bounces. Finally, we investigated the creation of a discretized representation of the scene geometry and use it for accelerating the above process. For accelerating the visibility computation of the lighting equation in dynamic scenes composed of rigid objects, we pre-computed the visibility as seen from the environment, onto the bounding sphere surrounding the object and encoded it into maps. The visibility function is encoded by a four-dimensional visibility field that describes the distance of the object in each direction for all positional samples on a sphere around the object. Thus, we are able to speed up the calculation of most algorithms that trace visibility rays to real-time frame rates. In order to estimate the diffuse interactions of light in dynamic environments we examined the creation of a discretized representation of the incoming light. We used a Virtual Point Light illumination model, representing indirect lighting as direct illumination from a cloud of point lights, on the volume representation of a complex scene. Unlike other dynamic VPL-based real-time approaches, our method handles occlusion (shadowing and masking) caused by the interference of geometry and is able to estimate diffuse inter-reflections from multiple light bounces in addition to energy from emissive materials. As the bottleneck of the VPL-based approach was the volume generation of the scene, we investigated the discretization of the geometry of dynamic environments. We developed two real-time surface voxelization algorithms and a volume data caching structure, the Volume Buffer, which encapsulates functionality, storage and access similar to a frame buffer object, but for three-dimensional scalar data. The Volume Buffer can accumulate up to 1024 bits of arbitrary data per voxel, as required by the specific application. The efficient voxelization algorithm enables the fast generation of arbitrary scalar volume data attributes and is easy to integrate into existing frameworks, thus being able to produce illumination from multiple light bounces. Additionally, we introduced the concept of Incremental Voxelization for the multi-valued, scalar volume rasterization of fully dynamic scenes. Where current image-based voxelization algorithms repeatedly regenerate the volume using the deferred geometry image buffers of a single frame, we incrementally update the existing voxels and therefore, produce a far more complete voxelization of the scene, offering improved quality and stability at a small overhead.