Title: Real-time rendering and animation of vegetation
Language: English
Authors: Habel, Ralf
Qualification level: Doctoral
Keywords: Echtzeitdarstellung; Animation; Vegetation
Real-time Rendering; Animation; Vegetation
Advisor: Wimmer, Michael
Assisting Advisor: Deussen, Oliver 
Issue Date: 2009
Number of Pages: 123
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Vegetationsdarstellung und Animation in Echtzeitapplikationen stellen immer noch ein grosses Problem aufgrund der inhärenten Komplexität von Pflanzen dar. Sowohl die geometrische Komplexität als auch der aufwändige Lichttransport erfordern spezialisierte Techniken um eine hochqualitative Darstellung von Vegetation in Echtzeit zu erreichen.
Diese Doktorarbeit präsentiert neue Algorithmen die unterschiedliche Bereiche von Vegetationsdarstellung und Animation bearbeiten.
Um Gras darzustellen wird ein effizienter Algorithmus für kurzes und dichtes Gras eingeführt.Im Gegensatz zu vorherigen Algorithmen ist diese neue Herangehensweise strahlenbasiert um die massive Überzeichnung von Billboard- oder explizite Geometrierepräsentationstechniken zu verhindern. Damit wird eine Unabhängigkeit von der Graskomplexität erreicht, ohne die Charakteristiken von Gras wie Parallax und Verdeckung zu verlieren.
Zusätzlich wird eine Methode für effizientes Darstellen von Blättern eingeführt. Blätter besitzen ein komplexes Lichttransportverhalten und es wird vor allem auf die Lichtdurchlässigkeit, ein integraler Bestandteil von Blattschattierung, geachtet. Der Lichttransport durch ein Blatt wird vorberechnet und kann leicht zur Laufzeit ausgewertet werden. Dies ermöglicht die Schattierung einer grossen Anzahl an Blättern, einschliesslich Effekten die durch die Blattstruktur entstehen wie variierende Reflektivität, Dicke oder Selbstabschattung.
Um einen Baum zu animieren wird eine neue Deformationsmethode auf Basis eines Strukturmechanikmodells, das alle wichtigen physikalischen Eigenschaften von Ästen miteinbezieht. Dieses Modell erfordert nicht die Segmentierung durch Joints wie vorhergehende Methoden, wodurch eine weiche und akkurate Biegung ermöglicht wird, die vollständig auf der GPU ausgeführt werden kann. Um diese Deformation anzutreiben wird eine spektrale Herangehensweise benutzt die ebenfalls die physikalischen Eigenschaften von Ästen benutzt. Diese Technik erlaubt es hochdetailierte Bäume mit tausenden Ästen und zehntausenden Blättern effizient zu animieren.
Desweiteren wird eine Methode eingeführt, die eine effiziente Nutzung von dynamischen Himmelslichtmodellen mit Spherical Harmonics Precomputed Radiance Transfer Techniken ermöglicht. Sie erlaubt das Verändern der Parameter in Echtzeit ohne nennenswerten Rechenaufwand und Speicherverbrauch.

Vegetation rendering and animation in real-time applications still pose a significant problem due to the inherent complexity of plants. Both the high geometric complexity and intricate light transport require specialized techniques to achieve high-quality rendering of vegetation in real time. This thesis presents new algorithms that address various areas of both vegetation rendering and animation.
For grass rendering, an efficient algorithm to display dense and short grass is introduced. In contrast to previous methods, the new approach is based on ray tracing to avoid the massive overdraw of billboard or explicit geometry representation techniques, achieving independence of the complexity of the grass without losing the visual characteristics of grass such as parallax and occlusion effects as the viewpoint moves.
Also, a method to efficiently render leaves is introduced. Leaves exhibit a complex light transport behavior due to subsurface scattering and special attention is given to the translucency of leaves, an integral part of leaf shading. The light transport through a leaf is precomputed and can be easily evaluated at runtime, making it possible to shade a massive amount of leaves while including the effects that occur due to the leaf structure such as varying albedo and thickness variations or self shadowing.
To animate a tree, a novel deformation method based on a structural mechanics model that incorporates the important physical properties of branches is introduced. This model does not require the branches to be segmented by joints as other methods, achieving smooth and accurate bending, and can be executed fully on a GPU. To drive this deformation, an optimized spectral approach that also incorporates the physical properties of branches is used. This allows animating a highly detailed tree with thousands of branches and ten thousands of leaves efficiently.
Additionally, a method to use dynamic skylight models in spherical harmonics precomputed radiance transfer techniques is introduced, allowing to change the skylight parameters in real time at no considerable cost and memory footprint.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-29130
http://hdl.handle.net/20.500.12708/14697
Library ID: AC05039927
Organisation: E186 - Institut für Computergraphik und Algorithmen 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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