Globale Volumenbeleuchtung mit Photon Mapping und Path Tracing

Abstract

In der fotorealistischen Bildsynthese kann nicht auf globale Beleuchtung verzichtet werden. Das gilt für die Beleuchtung von Oberflächen wie auch für volumetrische Daten. Ersteres ist heute sehr gut mit den verschiedensten Verfahren berechenbar. Letzteres hingegen ist immer noch sehr aufwändig, wenn neben der einfachen Streuung von Licht auch die mehrfache Streuung simuliert werden soll. Methoden zur Simulation des Lichtransportes in partizipierenden Medien gibt es in großer Zahl. Einige diskretisieren das Medium und berechnen wie in [Rus94] die Isotrope Streuung in Anlehnung an das Radiosity Verfahren als Austausch von Radiance unter den Volumen- und Oberflächenelementen. Andere Verfahren modellieren anisotrope Streuung mit Hilfe von Spherical Harmonics, wie z. B. in [KH84]. Eine weitere Anwendung von Spherical Harmonics ist die Repräsentation der Beleuchtung je Volumenelement aus [BT92]. Die Unterteilung des Volumens funktioniert gut, solange es keine schärferen Kanten gibt. An dieser muss weiter diskretisiert werden, was die Komplexität deutlich erhöht. Zwei Verfahren basierend auf der Monte Carlo Integration für die globale Beleuchtung von Oberflächen sind zum einen das Photon Mapping und zum anderen Path Tracing. Durch seine Geschwindigkeit und die Fähigkeit Kaustiken zu berechnen ist Photon Mapping meist die erste Wahl. Jedoch bleibt Path Tracing - was die Genauigkeit des Ergebnisses angeht - das überlegenere Verfahren. Diese Verfahren sollen in dieser Arbeit vorgestellt und je eine Erweiterung gezeigt werden, die den Lichttransport mit Mehrfachstreuung innerhalb eines Medium simulieren kann. Dazu wurden mehrere wichtige Quellen mit [JC98], [LW96] und [PKK00] herangezogen, die diese oder ähnliche Erweiterungen eingeführt haben. Zusätzlich dazu wird mit Hilfe von Perlin Noise [Per85] eine Methode vorgestellt, die der niedrig aufgelöste volumetrische Datensätze verfeinert werden können. Diese Verfahren wurden im Rahmen dieser Arbeit in das Renderingframework "pbrt" [PH10a] implementiert. Die Resultate aus den jeweiligen Berechnungen mit pbrt sollen hier gezeigt und die Verfahren miteinander verglichen werden. Abschließend werden noch mögliche Punkte gezeigt an denen angeknüpft werden kann.