Daylight simulation with photon maps

Abstract

Physically based image synthesis remains one of the most demanding tasks in the computer graphics field, whose applications have evolved along with the techniques in recent years, particularly with the decline in cost of powerful computing hardware. Physically based rendering is essentially a niche since it goes beyond the photorealistic look required by mainstream applications with the goal of computing actual lighting levels in physical quantities within a complex 3D scene. Unlike mainstream applications which merely demand visually convincing images and short rendering times, physically based rendering emphasises accuracy at the cost of increased computational overhead. Among the more specialised applications for physically based rendering is lighting simulation, particularly in conjunction with daylight. The aim of this thesis is to investigate the applicability of a novel image synthesis technique based on Monte Carlo particle transport to daylight simulation. Many materials used in daylight simulation are specifically designed to redirect light, and as such give rise to complex effects such as caustics. The photon map technique was chosen for its efficent handling of these effects. To assess its ability to produce physically correct results which can be applied to lighting simulation, a validation was carried out based on analytical case studies and on simple experimental setups. As prerequisite to validation, the photon map's inherent bias/noise tradeoff is investigated. This tradeoff depends on the density estimate bandwidth used in the reconstruction of the illumination. The error analysis leads to the development of a bias compensating operator which adapts the bandwidth according to the estimated bias in the reconstructed illumination. The work presented here was developed at the Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE) as part of the FARESYS project sponsored by the German national research foundation (DFG), and embedded into the RADIANCE rendering system.

Die Erzeugung physikalisch basierter Bilder gilt heute noch als eine der rechenintensivsten Aufgaben in der Computergraphik, dessen Anwendungen sowie auch Verfahren in den letzten Jahren kontinuierlich weiterentwickelt wurden, vorangetrieben primär durch den Preisverfall leistungsstarker Hardware. Physikalisch basiertes Rendering hat sich als Nische etabliert, die über die photorealistischen Anforderungen typischer Mainstream-Applikationen hinausgeht, mit dem Ziel, Lichttechnische Größen innerhalb einer komplexen 3D Szene zu berechnen. Im Gegensatz zu Mainstream-Applikationen, die visuell überzeugend wirken sollen und kurze Rechenzeiten erforden, liegt der Schwerpunkt bei physikalisch basiertem Rendering in der Genauigkeit, auf Kosten des Rechenaufwands. Zu den eher spezialisierten Anwendungen im Gebiet des physikalisch basiertem Renderings gehört die Lichtsimulation, besonders in Bezug auf Tageslicht. Das Ziel dieser Dissertation liegt darin, die Anwendbarkeit eines neuartigen Renderingverfahrens basierend auf Monte Carlo Partikeltransport hinsichtlich Tageslichtsimulation zu untersuchen. Viele Materialien, die in der Tageslichtsimulation verwendet werden, sind speziell darauf konzipiert, Tageslicht umzulenken, und somit komplexe Phänomene wie Kaustiken hervorrufen. Das Photon-Map-Verfahren wurde aufgrund seiner effizienten Simulation solcher Effekte herangezogen. Zur Beurteilung seiner Fähigkeit, physikalisch korrekte Ergebnisse zu liefern, die in der Tageslichtsimulation anwendbar sind, wurde eine Validierung anhand analytischer Studien sowie eines einfachen experimentellen Aufbaus durchgeführt. Als Voraussetzung zur Validierung wurde der Photon Map bezüglich seiner inhärenten Wechselwirkung zwischen Rauschen und systematischem Fehler (Bias) untersucht. Diese Wechselwirkung hängt von der Bandbreite des Density Estimates ab, mit dem die Beleuchtung aus den Photonen rekonstruiert wird. Die Fehleranalyse führt zur Entwicklung eines Bias compensating Operators, der die Bandbreite dynamisch anhand des geschätzten Bias in der rekonstruierten Beleuchtung anpasst. Die hier vorgestellte Arbeit wurde am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) als teil des FARESYS Projekts entwickelt, daß von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert wurde. Die Implementierung erfolgte im Rahmen des RADIANCE Renderingsystems.