Efficient methods for physically-based rendering of participating media

Abstract

This thesis proposes several novel methods for realistic synthesis of images containing participating media. This is a challenging problem, due to the multitude and complexity of ways how light interacts with participating media, but also an important one, since such media are ubiquitous in our environment and therefore are one of the main constituents of its appearance. The main paradigm we follow is designing efficient methods that provide their user with an interactive feedback, but are still physically plausible. The presented contributions have varying degrees of specialisation and, in a loose connection to that, their resulting efficiency. First, the screen-space scattering algorithm simulates scattering in homogeneous media, such as fog and water, as a fast image filtering process. Next, the amortised photon mapping method focuses on rendering clouds as arguably one of the most difficult media due to their high scattering anisotropy. Here, interactivity is achieved through adapting to certain conditions specific to clouds. A generalisation of this approach is principal-ordinates propagation, which tackles a much wider class of heterogeneous media. The resulting method can handle almost arbitrary optical properties in such media, thanks to a custom finite-element propagation scheme. Finally, spectral ray differentials aim at an efficient reconstruction of chromatic dispersion phenomena, which occur in transparent media such as water, glass and gemstones. This method is based on analytical ray differentiation and as such can be incorporated to any ray-based rendering framework, increasing the efficiency of reproducing dispersion by about an order of magnitude. All four proposed methods achieve efficiency primarily by utilising high-level mathematical abstractions, building on the understanding of the underlying physical principles that guide light transport. The methods have also been designed around simple data structures, allowing high execution parallelism and removing the need to rely on any sort of preprocessing. Thanks to these properties, the presented work is not only suitable for interactively computing light transport in participating media, but also allows dynamic changes to the simulated environment, all while maintaining high levels of visual realism.

Diese Arbeit stellt mehrere neue Verfahren zum Erzeugen von realistischen Bildern vor, die trübe Medien enthalten. Dabei handelt es sich aufgrund der vielfältigen und komplexen Art und Weise, wie Licht mit trüben Medien interagiert, um ein anspruchsvolles Problem. Gleichzeitig ist es ein Problem von großer Bedeutung, da diese Medien in unserer Umgebung allgegenwärtig sind und daher maßgeblich zum ihrem Erscheinungsbild beitragen. Unser Hauptparadigma ist der Entwurf von effizienten Methoden, die ihrem Anwender interaktives Feedback ermöglichen, dabei aber physikalisch plausibel bleiben. Die vorgestellten Beiträge haben unterschiedlich stark ausgeprägte Spezialisierungsgrade und sind, damit einhergehend, unterschiedlich effizient. Zuerst bildet der Screen-Space Scattering-Algorithmus Streuung in homogenen Medien wie Nebel und Wasser mit Hilfe eines schnellen Bildfiltervorgangs nach. Die Amortised Photon Mapping-Methode beschäftigt sich dann mit dem Rendern von Wolken, einem Medium, das wegen seiner großen Streuungsanisotropie wohl zu den kompliziertesten gehört. Dabei wird Interaktivität durch das Anpassen an bestimmte Beschaffenheiten von Wolken erzielt. Eine Verallgemeinerung dieses Ansatzes ist Principal Ordinates Propagation, das eine weitaus größere Kategorie heterogener Medien angeht. Die resultierende Methode kann dank eines speziellen Finite-Elemente-Ausbreitungsschemas mit nahezu beliebigen optischen Eigenschaften solcher Medien umgehen. Abschließend sind Spectral Ray Differentials auf eine effiziente Rekonstruktion von Farbdispersionsphänomenen ausgerichtet, die in transparenten Medien wie Wasser, Glas oder Edelsteinen auftreten. Diese Methode basiert auf analytischer Strahlendifferenziation und kann als solche in jedes strahlenbasierte Rendering-Framework eingegliedert werden, was beim Nachbilden von Dispersionen zu einer Effizienzsteigerung von etwa einer Größenordnung führt. Alle vier vorgestellten Methoden verdanken ihre Effizienz hauptsächlich der Verwendung von höheren mathematischen Abstraktionen, für die Kenntnisse der zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien des Lichttransports das Fundament liefern. Die Methoden wurden außerdem so entworfen, dass sie mit einfachen Datenstrukturen auskommen, was eine in hohem Maße parallele Ausführung erlaubt und dazu führt, dass auf Vorberechnungen komplett verzichtet werden kann. Dank dieser Eigenschaften ist die vorliegende Arbeit nicht nur dazu geeignet, Lichttransport in trüben Medien interaktiv zu berechnen, sondern erlaubt auch dynamische Veränderungen der simulierten Szenerie. Das hohe Niveau des visuellen Realismus’ wird dabei jederzeit beibehalten.