General-relativistic polygon rendering

Abstract

General relativistic visualization addresses optical effects in the realm of general relativity, such as bending of light around massive objects like black holes and stars, affecting the appearance of objects in their proximity. In this thesis, we propose a method for real-time relativistic visualization of triangle meshes in the proximity of black holes, based on polygon rendering and a precomputed table containing information about the distortion and apparent locations of points to a static observer. The visualization process is based on standard polygon rendering through the OpenGL pipeline, but we apply a subdivision to heavily distorted triangles to achieve more accurate results (approximating the curving of straight lines in proximity of a black hole). We consider a static observer with a freely rotating camera, as well as movable objects (considered ‘quasistatic’, i.e. movement itself does not impact appearance, only its location in space). Some results are compared with renders from the ray tracing software GeoVis and we provide additional example visualizations of different objects and scenarios, as well as benchmarks for both the visualization as well as the precomputation-step of our method.

Die allgemein-relativistische Visualisierung befasst sich mit optischen Effekten im Bereich der allgemeinen Relativiätstheorie, beispielsweise Krümmung von Licht um massive Objekte wie Schwarze Löcher und Sterne und deren Auswirkung auf das Aussehen von Objekten in der Nähe. In dieser Arbeit stellen wir eine Methode zur relativistischen Visualisierung von Dreiecksnetzen in der Nähe von Schwarzen Löchern vor, die interaktive Bildwiederholraten erreicht und damit Interaktion ermöglicht. Die Visualisierungsmethode basiert auf "Standard-" Polygonrendering in Kombination mit einer für einen statischen Beobachter vorberechneten Tabelle mit Informationen zur scheinbaren Lage von ausgewählten Punkten. Der Visualisierungsprozess wird mit C++ in der OpenGL-Grafikpipeline realisiert. Um auch bei groberen Dreiecksnetzen genauere Ergebnisse zu erhalten, werden verzerrte Dreiecke abhängig von der Stärke dieser Verzerrung feiner aufgelöst (so erreichen wir annähernd "gekrümmte" Bilder gerader Linien). Wir behandeln lediglich einen statischen Beobachter (mit frei rotierbarer Kamera) sowie (quasistatische) Objekte (die während der Bewegung zu jedem Zeitpunkt als stationär betrachtet werden, die Bewegungsgeschwindigkeit/-richtung allein hat also keinen Einfluss auf visuelle Effekte, nur die räumliche Lage des Objekts). Einige produzierte Ergebnisse werden mit Bildern der Raytracing-Software GeoVis verglichen und wir präsentieren zusätzliche Visualisierungen von verschiedenen Objekten und Szenarien, sowie Benchmarks für sowohl den Visualisierungs- als auch den Vorberechnungsteil unserer Methode.