Visualization and Editing of Light Transport

Heutzutage können durch Computergrafik beeindruckende fotorealistische Abbildungen komplexer Szenen erstellt werden. Wenn wir ein Bild näher betrachten, erkennen wir recht schnell die Geometrie der Szene und werden uns möglicherweise der verwendeten Materialien bewusst. Viele Beleuchtungseinstellungen sind insbesondere für den geübten Betrachter offenkundig, dennoch fehlt uns häufig das große Ganze: Warum wird an einer Stelle ein weicher Schatten gezeichnet, an anderer Stelle eine stark fokussierte Kaustik? Mit anderen Worten: Wie breitet sich das Licht innerhalb der Szene aus?

 

Werkzeuge zur vielseitigen Analyse der Lichtausbreitung in virtuellen Szenen. Vor links nach rechts: (a) Fehlfarbenberechnung, (b) Sphärische Areale, (c) Lichtpfadinspektor, (d) Volumeninspektor, (e) Teilchenflussdarstellung

Das Extrahieren und Ableiten dieser Information durch ein aussagekräftiges, visuelles Verfahren kann für Architekten, Ingenieure, Beleuchtungsdesigner eine große Hilfe darstellen - und vielleicht sogar auch für Grafikforscher, wenn diese an Methoden zur globalen Beleuchtung von Szenen arbeiten. Neuere Arbeiten im Feld der gestalterischen Manipulation von Licht zeigen, dass eine solche Manipulation nur dann intuitiv zugänglich ist, wenn der Anwender die möglichen Aspekte leicht verstehen und nachvollziehen kann.

Prototypisches Manipulations-Tool zur Beugung von Kaustiken, die von einer Glasbüste erzeugt werden. Die Kaustiken werden mit Hilfe unseres Volumeninspektors visualisert.

Inspektion und Manipulation
Um dies zu erreichen, entwickelten wir in einem ersten Schritt Werkzeuge, die eine vielseitige lokale Inspektion der Lichtausbreitung in virtuellen Szenen ermöglichen. Diese Werkzeuge waren anschließend sowohl Gegenstand von Diskussionen mit Fachexperten als auch ausführlicher Benutzerstudien. Es wurden eine Reihe von Verbesserungen durchgeführt, und außerdem wurde jedes Tool bezüglich seiner jeweiligen Tauglichkeit zur Bearbeitung unterschiedlicher Problemstellungen bewertet. Parallel hierzu wurden grundlegende Werkzeuge zur Lichtmanipulation erarbeitet, um die Entwicklung komplexerer Manipulations-Tools während der Folgephase vorzubereiten und zu unterstützen. Alle Werkzeuge wurden als erweiterte Objekte in Autodesk Maya implementiert und dadurch in den vollen Funktionsumfang einer professionellen Software zur Erstellung digitaler Inhalte integriert.

Effiziente globale Beleuchtung
Ein wichtiges, dennoch erwartetes Feedback auf die Werkzeuge zur Prüfung der Lichtausbreitung bestand darin, dass Interaktivität von größter Bedeutung ist. Dies stellt anspruchsvolle Anforderungen an die Berechnung der Lichtausbreitung, welche ihrerseits den Input für die visuelle Inspektion darstellt und gerade die Phänomene produziert, welche interaktiv manipuliert werden sollen. Hierzu verfolgen wir eine mehrgleisige Strategie: Das Maya Plug-In basiert auf Photon Mapping (auch im Rahmen der professionellen Bildberechnung häufig verwendet), welches wir um neue, fortschrittliche Verfahren zur Dichteschätzung ergänzten, um die Qualität der normalweise geringwertigen Vorschauansicht zu erhöhen.

Zeitgleich arbeiteten wir an neuen "Many-Lights"-Methoden, die implizite und explizite Sichtbarkeitsberechnungen kombinieren, mit dem Ziel eine skalierbare globale Beleuchtungsberechnung zu erreichen. Zu guter Letzt liegt ein Fokus unserer Forschung auf der Diskrete-Ordinaten-Methode (DOM), welche die Lichtausbreitung sowohl räumlich als auch direktional diskretisiert und damit sehr gut für moderne parallele Hardwarearchitekturen geeignet ist. Wir konnten zeigen, dass überzeugende Bilder in Millisekunden berechnet werden können. Unser nächstes Ziel besteht darin, die Probleme zu reduzieren, welche implizit aus der Diskretisierung entstehen, z. B. Speicherauslastung und geringe Genauigkeit.

 

Projektteam

Projektleiter
Prof. Dr.-Ing. Carsten Dachsbacher

Projektmitarbeiter
Anton Kaplanyan
Tim-Christopher Reiner
Stephan Bergmann
Thorsten-Walter Schmidt