Foundations of realistic rendering : a mathematical approach

Abstract

Die vorliegende Dissertation ist keine gewöhnliche Abhandlung, sondern sie ist als Lehrbuch zum realistischen Rendering für Studenten im zweiten Studienabschnitt, sowie Forscher und am Thema Interessierte konzipiert.

Aus mathematischer Sicht versteht man unter realistischem Rendering das Lösen der stationären Lichttransportgleichung, einer komplizierten Fredholm Integralgleichung der 2tenArt, deren exakte Lösung, wenn überhaupt berechenbar, nur in einem unendlich- dimensionalen Funktionenraum existiert. Während in den existierenden Büchern, die sich mit globaler Beleuchtungstheorie beschäftigen, vorwiegend die praktische Implementierung von Lösungsansätzen im Vordergrund steht, sind wir eher daran interessiert, den Leser mit den mathematischen Hilfsmitteln vertraut zu machen, mit welchen das globale Beleuchtungsproblem streng mathematisch formuliert und letzendlich auch gelöst werden kann.

Neue, effzientere und elegantere Algorithmen zur Berechnung zumindest approxima- tiver Lösungen der Lichttransportgleichung und ihrer unterschiedlichen Varianten können nur im Kontext mit einem vertieften Verständnis der Lichttransportgleichung entwickelt werden. Da die Probleme des realistischen Renderings tief in verschiedenen mathematis- chen Disziplinen verwurzelt sind, setzt das vollständige Verständnis des globalen Beleuch- tungsproblems Kenntnisse aus verschiedenen Bereichen der Mathematik voraus. Als zen- trale Konzepte kristallisieren sich dabei Prinzipien der Funktionalanalysis, der Theorie der Integralgleichungen, der Maß- und Integrationstheorie sowie der Wahrscheinlichkeitstheo- rie heraus.

Wir haben uns zum Ziel gesetzt, dieses Knäuel an mathematischen Konzepten zu entflechten, sie für Studenten verständlich darzustellen und ihnen bei Bedarf und je nach speziellem Interesse erschöpfend Auskunft zu geben.

The available doctoral thesis is not a usual paper but it is conceived as a text book for realistic rendering, made for students in upper courses, as well as for researchers and interested people.

From mathematical point of view, realistic rendering means solving the stationary light transport equation, a complicated Fredholm Integral equation of 2nd kind. Its exact solution exists|if possible at all|in an infinite dimensional functional space. Whereas practical implementation of approaches for solving problems are in the center of attentionin the existing textbooks that treat global illumination theory, we are more interested in familiarizing our reader with the mathematical tools which permit them to formulate the global illumination problem in accordance with strong mathematical principles and last but not least to solve it.

New, more eficient and more elegant algorithms to calculate approximate solutions for the light transport equation and their different variants must be developed in the context of deep and complete understanding of the light transport equation. As the problems of realistic rendering are deeply rooted in different mathematical disciplines, there must precede the complete comprehension of all those areas. There are evolving principles of functional analysis, theory of integral equations, measure and integration theory as well as probability theory.

We have set ourselves the target to remerge this bundle of fluff of mathematical concepts and principles, to represent them to the students in an understandable manner, and to give them, if required, exhaustive information.