Simulation multipler Streuung an Haaren mit Hilfe eines Photon-Mapping-Ansatzes

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1 Fakultät Informatik Institut für Software- und Multimediatechnik, Professur für Computergraphik und Visualisierung Simulation multipler Streuung an Haaren mit Hilfe eines Photon-Mapping-Ansatzes Hauptseminar Klaus Bergmann Dresden,

2 00 Gliederung 01 Einführung: Warum eine neue Methode? 02 Bisherige Methoden 03 Optische Eigenschaften von Haaren 04 Vorgehensweise der Methode 05 Ergebnisse 06 Zusammenfassung TU Dresden, Klaus Bergmann Folie 2 von 23

3 01 Einführung Warum eine neue Methode? es gibt gute Methoden schwarze Haare zu rendern es gibt gute Methoden braune Haare zu rendern es gibt gute Methoden farbige Haare zu rendern aber blonde Haare? TU Dresden, Klaus Bergmann Folie 3 von 23

4 01 Einführung Warum eine neue Methode? bisherige Methoden zum rendern blonder Haare sind entweder unrealistisch für blonde Haare direkte Beleuchtung Transmission blonder Haare ist höher als bei dunklen oder sehr langsam Path Tracing Rechenzeit: 60 Std. (im Beispiel) direkt beleuchtet Path Traced TU Dresden, Klaus Bergmann Folie 4 von 23

5 02 Bisherige Methoden (Visible) Raytracing Lichtstrahlen werden von der Kamera aus verfolgt beim ersten Schnitt mit einem Objekt wird mit Schattenstrahl überprüft, ob Punkt beleuchtet ist rekursive Verfolgung des reflektierten und transmittierten Strahls keine Berücksichtigung diffuser Reflexion TU Dresden, Klaus Bergmann Folie 5 von 23

6 02 Bisherige Methoden Diffuses Raytracing (Direkte Beleuchtung) statt einem Strahl werden mehrere ausgesendet und Mittelwert berechnet es ermöglicht: Bewegungsunschärfe (Motion Blur) Tiefenschärfe (Blende berücksichtigen) diffuse Reflexion (Variation des Reflexionswinkels) weiche Schatten (Supersampling) einfaches Raytracing diffuses Raytracing TU Dresden, Klaus Bergmann Folie 6 von 23

7 02 Bisherige Methoden Path-Tracing (Monte-Carlo-Raytracing) Algorithmus zur globalen Beleuchtung einer Szene dadurch kann ein physikalisch (strahlenoptisch) korrektes Bild simuliert werden rendert mittels zufällig generierten Strahlen auf allen Oberflächen (mathematisches Verfahren Monte-Carlo-Simulation ) erzeugt realistische Bilder mit sehr großem Zeitaufwand TU Dresden, Klaus Bergmann Folie 7 von 23

8 03 Optische Eigenschaften von Haaren Was ist bei der Beleuchtung von Haaren zu beachten? 2α >2α α Winkelabweichung gegenüber Zylinder 2α Haarinneres: Brechungsindex n 2 Absorption σ <2α Cuticulae einer Haarfaser Streuung an einer Haarfaser Wurzel Spitze TU Dresden, Klaus Bergmann Folie 8 von 23

9 03 Optische Eigenschaften von Haaren Was ist bei der Beleuchtung von Haaren zu beachten? blonde Haare sind semi-transparent Teilweise Reflexion an der Faseroberfläche Teilweise Eindringung, Absorption oder Transmission (Einfallswinkel Ausfallswinkel bei Annahme eines Zylinders) Licht bleibt direktional, auch nach mehreren Schnitten (im Unterschied zu optisch dicken Medien) Licht breitet sich entlang einer Haarsträhne langsamer aus als quer dazu Diese Eigenschaften widersprechen den Annahmen der bisherigen effizienten Rendering-Algorithmen Spotlight auf eine blonde Haarsträhne TU Dresden, Klaus Bergmann Folie 9 von 23

10 04 Vorgehensweise Übersicht der Algorithmus besteht aus zwei Schritten 1. Aufbau der Photonenkarte 2. Rendern des Bildes TU Dresden, Klaus Bergmann Folie 10 von 23

11 04 Vorgehensweise 1. Partikelverfolgung (Photon-Tracing) Photonen werden von den Lichtquellen ausgesandt werden auf dem Weg durch die Szene verfolgt werden gleichverteilt entlang eines Pfades in der Photonenkarte verzeichnet (im Unterschied zum normalen Photon-Mapping) Photonen (entlang des Pfades) TU Dresden, Klaus Bergmann Folie 11 von 23

12 04 Vorgehensweise 1. Partikelverfolgung (Photon-Tracing) Photonen werden gleichverteilt entlang eines Pfades in der Photonenkarte verzeichnet warum? Photonen an den Schnittstellen speichern ergibt eine Photonendichte proportional zur Haardichte das ist aber nicht gewünscht und muss erst korrigiert werden Photonen gleichförmig entlang des Weges speichern ergibt eine Photonendichte proportional zur Strahlungsdichte (= Beleuchtung) das ist gewünscht, weil die Photonenkarte genutzt wird, um die Beleuchtung pro Faser zu berechnen TU Dresden, Klaus Bergmann Folie 12 von 23

13 04 Vorgehensweise 1. Partikelverfolgung (Photon-Tracing) Streuung verschiedene vorherige Ansätze nehmen Haarfaser als Zylinder an Fehlerquelle unruhige Oberfläche wird durch zufällige Änderung der Normalen bei jedem Schnitt simuliert 2α >2α α Winkelabweichung gegenüber Zylinder Haarinneres: Brechungsindex n 2 Absorption σ 2α <2α Wurzel Spitze TU Dresden, Klaus Bergmann Folie 13 von 23

14 04 Vorgehensweise 1. Partikelverfolgung (Photon-Tracing) Datenstruktur der Photonenkarte normales Photon-Mapping nutzt einen 3D-Suchbaum es existieren effiziente Algorithmen zur Traversierung/Suche durch die Anisotropie der Haare muss die Richtung der Photonen gespeichert werden Nutzung eines 5D-Baumes: p = (x, y, z), ω = (φ, θ) um Rauschen zu vermindern, wird über Punkte, die räumlich und direktional nahe beieinander liegen gemittelt TU Dresden, Klaus Bergmann Folie 14 von 23

15 04 Vorgehensweise 1. Partikelverfolgung (Photon-Tracing) Welche Punkte liegen nahe beieinander? zwei Punkte mit gleicher Position, aber unterschiedlicher Richtung zwei Punkte mit gleicher Richtung, aber unterschiedlicher Position welches Punktepaar ist sich näher? Einführung eines Gewichtes w, so dass gilt: d (p 1, ω 1 ), (p 2, ω 2 ) = max p 1 p 2, w ω 1 ω 2? TU Dresden, Klaus Bergmann Folie 15 von 23

16 04 Vorgehensweise 2. Bild rendern (Raytracing) Lichtstrahlen werden von der Kamera zu den Haaren gesendet beim ersten Schnitt mit einer Faser wird die direkte Beleuchtung für mehrere Richtungen mit Hilfe eines Lookups in der 5D-Photonenkarte berechnet und gemittelt durch genügend viele Richtungen wird der Fehler (das Rauschen) minimiert TU Dresden, Klaus Bergmann Folie 16 von 23

17 04 Vorgehensweise Effizienzoptimierung Photonen werden gleichverteilt auf dem Pfad gespeichert (nicht an den Schnittpunkten) Photonen werden also auch im leeren Raum erzeugt Optimierung: Nutzung eines Bounding Volumes, um den Lookup-Radius zu begrenzen Bounding Volume Photonen (entlang des Pfades) TU Dresden, Klaus Bergmann Folie 17 von 23

18 04 Vorgehensweise Effizienzoptimierung Beleuchtung wird mit Hilfe eines Photonenkarten-Lookups berechnet relativ aufwändig, da Lookup für jede Richtung durchgeführt werden muss Optimierung: Nutzung einer Cache-Struktur um Lookups zu verringern, unter Anwendung des Wissens, dass Licht entlang der Faser wenig gestreut wird: Berechnete Punkte werden gecached, Punkte dazwischen werden interpoliert Interpolation OK unterschiedliche Fasern Entfernung zu groß Punkt im Cache TU Dresden, Klaus Bergmann Folie 18 von 23

19 05 Ergebnisse Blonder Pferdeschwanz von vorne beleuchtet direkt Path Traced Rechenzeit: 60 Std. w = Rechenzeit: 2.5 Std. w = 0 (Richtung nicht berücksichtigt) TU Dresden, Klaus Bergmann Folie 19 von 23

20 05 Ergebnisse Blonder Pferdeschwanz von hinten beleuchtet direkt Path Traced Rechenzeit: 100 Std. w = 6.25 Rechenzeit: 2.7 Std. w = 0 (Richtung nicht berücksichtigt) TU Dresden, Klaus Bergmann Folie 20 von 23

21 06 Zusammenfassung das Rendern blonder Haare ist effizient und rauscharm möglich Verwendung eines modifizierten Photon-Mapping-Verfahrens 1. Aufbau der 5D-Photonenkarte mit uniformer Verteilung der Photonen entlang ihres Weges 2. Rendern des Bildes mit diffusem Raytracing und der erzeugten Lookup-Photonenkarte unter Verwendung einer effizienten Caching-Struktur gute Approximation der Streuung an den Fasern Verfahren kann auch auf andere Szenen angepasst werden: z.b. das Rendern einer Menge von Blasen (und deren Lichtstreuung) TU Dresden, Klaus Bergmann Folie 21 von 23

22 weiterführende Literatur MOON, J. T.; MARSCHNER, S. R.: Simulating Multiple Scattering in Hair Using a Photon Mapping Approach. Aus: Proceedings of SIGGRAPH 2006, Boston JENSEN, H. W.: Realistic image synthesis using photon mapping. A K Peters, Natick/MA und andere... TU Dresden, Klaus Bergmann Folie 22 von 23

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit... Noch Fragen? TU Dresden, Klaus Bergmann Folie 23 von 23