Verfahren zur verbesserten Approximation von Lichtverteilungen in der fotorealistischen Bildsynthese

Abstract

Gegenstand der fotorealistischen Bildsynthese ist die Erzeugung realistisch wirkender Rasterbilder aus dreidimensionalen Szenen durch die Berechnung von Lichtverteilungen. Grundlage der Berechnung ist die Bildsynthesegleichung von Kajiya, als deren Lösung sich die gesuchte Lichtverteilung ergibt. Die Bildsynthesegleichung ist im allgemeinen nicht analytisch lösbar. Zur näherungsweisen Lösung sind im wesentlichen zwei Vorgehensweisen bekannt: Monte Carlo-Abtastverfahren und Finite-Elemente-Verfahren.In dieser Arbeit wird eine Verbesserung von Monte Carlo-Strahlverfolgung entwickelt, die bei gegebener Stichprobenanzahl Bilder signifikant besserer Qualität als bisher bekannte Verfahren liefert. Dies wird durch den Einsatz adaptiver hierarchischer Dichtefunktionen erreicht. Aus den Abtastungen der Strahlverfolgung werden als Nebenprodukt Approximationen des Integranden bestimmt, aus denen verbesserte Dichtefunktionen gewonnen werden, die zu einer Effizienzsteigerung des Monte Carlo-Integrationsverfahrens führen.Für die Berechnung von Bildern für den Fall der uniformen diffusen Reflexion (Radiosity-Berechnung) nach dem klassischen Finite-Elemente-Ansatz mit konstanten Basisfunktionen werden eine Reihe von Interpolationsverfahren für die resultierende Radiosity-Funktion zur Verbesserung der visuellen Bilddarstellung angegeben. Diese basieren insbesondere auf Verfahren für die Streudateninterpolation. Durch empirische Analyse wird eine Bewertung der untersuchten Verfahren durchgeführt.Für die Implementierung und Analyse der Verfahren wurde eine Software-Architektur entwickelt. Designziele waren die Entwicklung einer flexibel änderbaren und erweiterbaren Testumgebung sowie die Ermöglichung der vergleichbaren empirischen Effizienzanalyse verschiedener Lösungsverfahren, indem soweit wie möglich dieselbe Implementierungsbasis genutzt wird und nur in wirklich unterschiedlichen Teilen unterschiedliche Algorithmen und deren Implementierung zum Einsatz kommen.