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Computer graphics & visualization Photon Mapping.

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Präsentation zum Thema: "Computer graphics & visualization Photon Mapping."—  Präsentation transkript:

1 computer graphics & visualization Photon Mapping

2 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Photon Mapping 1993/94 entwickelt von Henrik Wann Jensen 1995 Veröffentlicht als PhD an der Technical University of Denmark Derzeit Associate Professor am Computer Graphics Laboratory an der University of California San Diego

3 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Motivation Unzulänglichkeit des klassischen Raytracings: Ineffiziente Simulation Globaler Beleuchtungseffekte

4 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Motivation Direkte Beleuchtung vs. Globale Beleuchtung

5 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Motivation Weitere Effekte der Globalen Beleuchtung Color Bleeding James GurneyJames Gurney

6 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Motivation Weitere Effekte der Globalen Beleuchtung Kaustiken

7 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Motivation Bsp. einer GI-Technik: Path Tracing Weiterverfolgen des Strahls durch die Szene Problem: Hohe Invarianz

8 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Global Illumination Problem: Bisherige Lösungen sehr ineffizient Lösung: Photon Mapping – Effiziente Berechnung der diffusen Komponente der Globalen Beleuchtung – Ergänzung zu Raytracing – Streuung von Licht in z.B Rauch Participating Media – Parallelisierbar

9 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Ansatz Lichtteilchen (Photonen) werden von Lichtquelle emittiert Pfad der Photonen wird durch Szene verfolgt Auftreffen der Photonen wird abgespeichert in einer Photon Map

10 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Ansatz Backward Tracing Klassisches Raytracing Forward Tracing Photon Mapping

11 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Two Pass Methode Photon Tracing PassRendering Pass Photonen von der Lichtquelle durch das Modell verfolgen Bei Treffer: Absorbieren & Speichern Reflektieren & Weiterverfolgen Rendern unter Zuhilfenahme der Informationen aus der Photon Map um das Rendern effizienter zu gestalten

12 computer graphics & visualization Photon Tracing Pass

13 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Emission der Photonen Stärke der Lichtquelle wird simuliert durch Anzahl der Photonen Schwächere Lichtquelle Weniger Photonen 1000 Photonen halber stärker entsprechen 500 Photonen ganzer Stärke Alle Photonen gleich stark Einfachere Berechnung Weniger Speicheraufwand

14 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Lichtquellen Punkt Direktional Fläche Freie Form

15 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Optimierungsmöglichkeit Projection Map Aussenden von Photonen nur in Bereiche mit Geometrie aktiv inaktiv

16 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Lichtstreuung Diffus Real spekular Ideal spekular

17 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Russisches Roulette

18 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Russisches Roulette Beispiel: – Oberfläche ist 0.25 spiegelnd und 0.25 diffus 50 % der Photonen werden absorbiert 25 % der Photonen werdendiffus reflektiert – d.h. gespeichert & deren Pfad weiter verfolgt 25 % der Photonen werden gespiegelt – d.h. nicht gespeichert & deren Pfad weiter verfolgt

19 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Warum Russisches Roulette? Bsp: Material 33% diffus reflektierend Bei 3 eintreffenden Photonen: nicht 3 Photonen mit 33% Stärke sondern 1 Photon mit 100% Stärke Stärke der Photonen miteinander Vergleichbar Weniger Photonen zum Abspeichern

20 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Speicherung Anforderungen: Schnell und kompakt um große Datenmengen zu speichern und zu durchsuchen Vorschlag 1: Mehrdimensionale Arrays Problem: Suche nach nächstem Nachbar zu kostspielig Vorschlag 2: 3D- Gitter unterteilt in regelmäßige Unterwürfel Problem: Photonen nicht gleichmäßig verteilt (Speicherung nur an Oberflächen, Kaustiken)

21 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 kd-Tree Multidimensionaler binärer Suchbaum

22 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 kd-Tree

23 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 kd-Tree

24 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 kd-Tree

25 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 kd-Tree

26 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 kd-Tree Im balancierten Baum: OperationZeit Einfügen eines KnotensO(log n) Entfernen eines KnotensO(log n) Suche nach KnotenO(log n) Suche nach nächstem NachbarO(log n) Suche nach den k nächsten Nachbarn O(k + log n)

27 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Photon Map Normalerweise zwei Photon Maps: Global Photon Map Caustics Photon Map Hohe Photonendichte für Kaustiken nötig Konzentration auf gewünschte Bereiche durch Projection Map

28 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Photon Map Photonen, erstes auftreffen

29 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Photon Map Photonen nach 2 Reflektionen

30 Rendering Pass

31 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Die Rendergleichung Emittiertes Licht Reflektiertes Licht Photon Mapping (Bei genügend großer Photonenzahl)

32 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Photonmapping in der Praxis Raytracing Photon- mapping

33 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Radiance Estimate Radiance Estimate: – Abschätzen der Beleuchtungsstärke an einem gewissen Punkt – Beleuchtungsstärke abhängig von der Dichte der Photonen in der Umgebung

34 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Radiance Estimate 2 Strategien Spanne eine Kugel auf mit Radius r Berücksichtige alle Photonen innerhalb Zahl N der Photonen ist vorgegeben Spanne Kugel auf bis sie N Photonen enthält

35 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Radiance Estimate

36 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Radiance Estimate Problem: Ungenauigkeiten an Kanten

37 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Photon Mapping Direct Illumination

38 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Photon Mapping Depth: 0, Radius 0.025

39 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Photon Mapping Depth: 1, Radius 0.025

40 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Photon Mapping Depth: 5, Radius 0.025

41 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Zusammenfassung Erweiterung von Raytracing-basierten Verfahren Simulation der diffusen Komponente der Globalen Beleuchtung Zwei Passes: – Photon Tracing Pass Photonen werden von der Lichtquelle aus durch die Szene verfolgt – Rendering Pass Gespeicherte Photonen dienen zur Abschätzung der indirekten Beleuchtung

42 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Zusammenfassung Vorteile des Photon Mapping – Sehr effizient im Vergleich zu anderen Verfahren – Indirekte Beleuchtung wird unabhängig von der Geometrie gespeichert

43 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Beispiel

44

45 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Backup Folien

46 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Zusatz: Filtering Unscharfe Kanten bei indirekter Beleuchtung erwünscht Unerwünscht bei Kaustiken Lösung: Filtering Stärkere Gewichtung der Photonen nahe des Point of Interest

47 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Zusatz: Filtering

48 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Zusatz: Subsurface Scattering

49 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Zusatz: Subsurface Scattering

50 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Zusatz: Subsurface Scattering Diffuse Reflektion AnnäherungRealität

51 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Zusatz: Subsurface Scattering

52 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Zusatz: Participating Media

53 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Zusatz: Photon Scattering Speicherung in Volume Photon Map

54 computer graphics & visualization Photon Mapping Andreas Schmidt 2011 Zusatz: Radiance Estimate Ray Marching


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