Real-time global illumination using temporal coherence

Abstract

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, glaubwürdige globale Beleuchtung, mit Hilfe von temporaler Kohärenz, in Echtzeit zu berechnen. Direkte Beleuchtung verbunden mit vorausberechneter globaler Beleuchtung wird bereits häufig in Computerspielen oder anderen 3D Programmen eingesetzt. Die Echtzeitberechnung von globaler Beleuchtung für dynamische Szenen und dynamischem Licht stellt dabei aber immer noch eine große Herausforderung dar und ist deshalb ein aktives Forschungsfeld.<br />Diese Diplomarbeit gibt eine Einführung in die globale Beleuchtung und beschreibt einige Methoden die bereits dafür entwickelt wurden. Da aber die meisten Methoden Vorberechnungen benötigen, unterliegen sie bestimmten Einschränkungen wie statischen Szenen oder statischer Licht- beziehungsweise Kameraposition. Des weiteren, sind manche Algorithmen nicht auf heutige Graphikhardware angepasst oder globale Beleuchtung wird nur vorgetäuscht. Der Kern dieser Diplomarbeit ist eine verbesserte Version der Instant Radiosity und Imperfect Shadow Maps Algorithmen, welche die Beleuchtungsinformationen aus dem letzten Bild wiederverwendet. Die vorher genannten Methoden benötigen eine hohe Anzahl an sogenannte virtuellen Lichtquellen um ansprechende Resultate zu erzielen. Unsere Methode hingegen, erreicht bereits mit wenigen virtuellen Lichtquellen ansprechende Ergebnisse. In einer zweiten Erweiterung zu den Algorithmen präsentieren wir einen neuen Algorithmus um mehrere Lichtreflexionen auf der Oberfläche zu berechnen. Unsere Methode reduziert die Anzahl der zu zeichnenden Pixel, wodurch die Berechnungszeit im Vergleich zu den vorhergehenden Methoden kleiner ist.<br />

The goal of this thesis is to produce plausible global illumination in real time using temporal coherence. While direct illumination combined with precomputed static global illumination is widely used in today's computer games and 3D applications, real-time global illumination that supports arbitrary dynamic scenes and light setups is still an active area of research.<br />This master thesis gives an introduction to global illumination and discusses various methods that have been developed. However, since most of the existing methods need some kind of precomputation to calculate global illumination in real time, they also introduce limitations like static light, scenes or view points. Furthermore other algorithms are not suitable for the capabilities of current graphics hardware or are simply fake approaches.<br />The core of this thesis is an improved version of the instant radiosity and imperfect shadow maps algorithm that reuses illumination information from previous frames. The previous approaches needed a high number of so called virtual point lights to get convincing results, whereas our method achieves visually pleasing results with only a few virtual point lights. As a second extension to the base algorithms we introduce a new method to compute multiple light bounces. In this method the fill rate is drastically reduced and therefore computation time is much lower than in previous aproaches.