Efficient Object-Based Hierarchical Radiosity Methods

Schäfer, Stephan

Eines der Schwerpunktthemen in der Computergraphik ist die effiziente Erzeugung von fotorealistischen Bildern. Im Gegensatz zur einfachen Bilderzeugung, die bereits durch gaengige 3D-Grafikhardware unterstuetzt wird, gehorcht die fotorealistische Bildsynthese physikalischen Gesetzen, die die Lichtausbreitung innerhalb einer bestimmten Umgebung beschreiben. Durch die Simulation der Energieausbreitung in einer dreidimensionalen Szene koennen globale Effekte wie Schatten und mehrfache Reflektionen wirklichkeitstreu dargestellt werden. Die hierarchische Radiositymethode (Hierarchical Radiosity) ist eine Moeglichkeit, um die globale Beleuchtung innerhalb einer Szene zu berechnen. Da diese Methode auf die Verwendung von rein diffus reflektierenden Oberflaechen beschraenkt ist, sind damit errechnete Loesungen blickwinkelunabhaengig und lassen sich in Echtzeit am Bildschirm durchwandern. Zudem ist dieser Algorithmus aufgrund der verwendeten physikalischen Grundlagen sehr gut zur Beleuchtungssimulation und Architekturvisualisierung geeignet. Den Schwerpunkt dieser Doktorarbeit stellt die Anwendung objektbasierter Methoden auf das Radiosityproblem dar. Durch konsequente Ausnutzung von Objektinformationen waehrend aller Berechnungsschritte konnten verschiedene Verbesserungen im Rahmen der hierarchischen Radiositymethode erzielt werden. Gekruemmte Objekte koennen aufgrund eines neuen Flaechenunterteilungsverfahrens nun effizient durch den hierarchischen Radiosityalgorithmus dargestellt werden. Dieses Verfahren ermoeglicht ebenso eine effiziente Parallelisierung des hierarchischen Radiosityalgorithmus. Es wird ein parallele Implementierung vorgestellt, die unter Minimierung der Kommunikationskosten eine effiziente Geschwindigkeitssteigerung erzielt. Radiosityberechnungen fuer sehr grosse Szenen sind nur durch Verwendung sogenannter Clustering-Algorithmen moeglich. Dabei werden Gruppen von Objekten zu Clustern kombiniert um den Energieaustausch zwischen Oberflaechen stellvertretend auf einem hoeheren Abstraktionsniveau durchzufuehren. Durch Verwendung derselben Datenstruktur fuer Sichtbarkeitsberechnungen und fuer die Steuerung der Radiositysimulation wird gezeigt, wie das Clusteringverfahren ohne Qualitaetsverluste verbessert werden kann.

The efficient generation of photorealistic images is one of the main subjects in the field of computer graphics. In contrast to simple image generation which is directly supported by standard 3D graphics hardware, photorealistic image synthesis strongly adheres to the physics describing the flow of light in a given environment. By simulating the energy flow in a 3D scene global effects like shadows and inter-reflections can be rendered accurately. The hierarchical radiosity method is one way of computing the global illumination in a scene. Due to its limitation to purely diffuse surfaces solutions computed by this method are view independent and can be examined in real-time walkthroughs. Additionally, the physically based algorithm makes it well suited for lighting design and architectural visualization. The focus of this thesis is the application of object-oriented methods to the radiosity problem. By consequently keeping and using object information throughout all stages of the algorithms several contributions to the field of radiosity rendering could be made. By introducing a new meshing scheme, it is shown how curved objects can be treated efficiently by hierarchical radiosity algorithms. Using the same paradigm the radiosity computation can be distributed in a network of computers. A parallel implementation is presented that minimizes communication costs while obtaining an efficient speedup. Radiosity solutions for very large scenes became possible by the use of clustering algorithms. Groups of objects are combined to clusters to simulate the energy exchange on a higher abstraction level. It is shown how the clustering technique can be improved without loss in image quality by applying the same data-structure for both, the visibility computations and the efficient radiosity simulation.

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Schäfer, Stephan: Efficient Object-Based Hierarchical Radiosity Methods. 2000.

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