Effiziente Selbstschattierung in Szenen mit bildbasierter Beleuchtungsinformation und glänzenden Materialien

Beim Design und Virtual Prototyping von Produkten werden heutzutage oftmals interaktive Computersimulationen eingesetzt. Um die Vorstellungen des Designers möglichst realitätsnah wiedergeben zu können, müssen diese Simulatoren über eine qualitativ hochwertige und plausible Beleuchtung verfügen. Hinzu kommt eine möglichst hohe Flexibilität bezüglich der Gestaltung der Oberflächen und der Wahl der verwendeten Materialien. In den meisten Fällen ermöglichen die verwendeten Simulatoren zusätzlich die direkte Manipulation der Geometrie oder Anordnung der Objekte durch den Benutzer. Es gibt bereits Verfahren, die solche dynamischen Szenen mit bildbasierten Beleuchtungsinformationen in Echtzeit beleuchten und Schattenwürfe berechnen können; die so genannten "Image Based Directional Occlusion" Verfahren (IBDO). Allerdings sind sie bezüglich der Materialien der zu beleuchtenden Objekte sehr eingeschränkt: Sie unterstützen nur diffuse und leicht glänzende Materialien; für hoch glänzende und spiegelnde Oberflächen sind sie nicht geeignet. In dieser Arbeit wird ein neues Beleuchtungssystem vorgestellt, das ähnlich wie die IBDO Algorithmen viele Lichtquellen aus einer Environment Map erzeugt, diese dann jedoch nicht direkt zur Beleuchtung der Szene, sondern lediglich zum Sammeln der Verdeckungsinformationen verwendet. Für die eigentliche Beleuchtung werden wie beim Environment Mapping die Farbwerte über einen oberflächenabhängigen Sample- Vektor aus der Environment Map (EM) ausgelesen. Die über die Lichtquellen gesammelten Verdeckungsinformationen in Form von Variance Shadow Maps (VSMs) werden dazu eingesetzt, nicht sichtbare Teile der EM dynamisch auszublenden. Die geforderte Flexibilität in der Materialwahl wird durch verschiedene MipMap Stufen der EM gewährleistet. Das Beleuchtungssystem verbindet somit die freie Materialwahl des Environment Mappings mit der bildbasierten Schattenberechnung der IBDO Verfahren. Die verwendeten VSMs bieten einen weichen Schattenwurf bei vergleichsweise geringem Rechenaufwand, verlieren aber bei niedrigen Auflösungen wichtige Details bei der Selbstschattierung. Die Steuerung der Reflektivität der Objekte über MipMaps erlaubt einen fließenden Übergang von 100 spiegelnd bis 100 diffus. Zusätzlich können Algorithmen zur Manipulation der Oberflächengeometrie, wie beispielsweise Bump-, Normalund Displacement-Mapping sowie Tesselierung, problemlos vorgelagert werden; das Beleuchtungssystem ist kompatibel. Der entscheidende Faktor für die Performance des Verfahrens ist die Zahl der verwendeten Lichtquellen. Für angemessene Mengen (100 bis 200) liefert es auf aktueller Mittelklasse-Hardware (z.B. AMD Radeon HD6850 oder NVIDIA Geforce GTX 280) interaktive Bildraten. Die hohe Zahl der benötigten Texturen und die damit verbundene Menge an Grafikspeicher sowie die zwanghafte Aufteilung des Renderings in mehrere Render-Passes stellen jedoch einen Nachteil gegenüber den oben erwähnten IBDO Verfahren dar