New acquisition techniques for real objects and light sources in computer graphics

Abstract

Accurate representations of objects and light sources in a scene model are a crucial prerequisite for realistic image synthesis using computer graphics techniques. This thesis presents techniques for the effcient acquisition of real world objects and real world light sources, as well as an assessment of the quality of the acquired models. Making use of color management techniques, we setup an appearance reproduction pipeline that ensures best-possible reproduction of local light reflection with the available input and output devices. We introduce a hierarchical model for the subsurface light transport in translucent objects, derive an acquisition methodology, and acquire models of several translucent objects that can be rendered interactively. Since geometry models of real world objects are often acquired using 3D range scanners, we also present a method based on the concept of modulation transfer functions to evaluate their accuracy. In order to illuminate a scene with realistic light sources, we propose a method to acquire a model of the near-field emission pattern of a light source with optical prefiltering. We apply this method to several light sources with different emission characteristics and demonstrate the integration of the acquired models into both, global illumination as well as hardware-accelerated rendering systems.

Exakte Repräsentationen der Objekte und Lichtquellen in einem Modell einer Szene sind eine unerlässliche Voraussetzung für die realistische Bilderzeugung mit Techniken der Computergraphik. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der effizienten Digitalisierung von realen Objekten und realen Lichtquellen. Dabei werden sowohl neue Digitalisierungstechniken als auch Methoden zur Bestimmung der Qualität der erzeugten Modelle vorgestellt. Wir schlagen eine Verarbeitungskette zur Digitalisierung und Wiedergabe der Farbe und Spekularität von Objekten vor, die durch Ausnutzung von Farbmanagementtechniken eine bestmögliche Wiedergabe des Objekts unter Verwendung der gegebenen Ein- und Ausgabegeräte ermöglicht. Wir führen weiterhin ein hierarchisches Modell für den Lichttransport im Inneren von Objekten aus durchscheinenden Materialien sowie eine zugehörige Akquisitionsmethode ein und digitalisieren mehrere reale Objekte. Die dabei erzeugten Modelle können in Echtzeit angezeigt werden. Die Geometrie realer Objekte spielt eine entscheidende Rolle in vielen Anwendungen und wird oftmals unter Verwendung von 3D Scannern digitalisiert. Wir entwickeln daher eine Methode zur Bestimmung der Genauigkeit eines 3D Scanners, die auf dem Konzept der Modulationstransferfunktion basiert. Um eine Szene mit realen Lichtquellen beleuchten zu können, schlagen wir ferner eine Methode zur Erfassung der Nahfeldabstrahlung eine Lichtquelle vor, bei der vor der Digitalisierung ein optischer Filterungsschritt durchgeführt wird. Wir wenden diese Methode zur Digitalisierung mehrerer Lichtquellen mit unterschiedlichen Abstrahlcharakteristika an und zeigen auf, wie die dabei erzeugten Modelle in globalen Beleuchtungsberechnungen sowie bei der Bildsynthese mittels moderner Graphikkarten verwendet werden können.