Realistic local lighting in dynamic height fields

Abstract

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, weiche Schatten von Umgebungslichtern und lokalen Lichtquellen auf dynamischen Höhenfeldern zu berechnen. Diese Arbeit erweitert die Arbeit von Snyder et al. [29] um lokale Lichtquellen. In heutigen 3D Anwendungen und Video Spielen werden üblicherweise direktionale Lichtquellen und Punktlichter für teils statische und dynamische Szenen verwendet. Die Entwicklung komplett dynamischer Szenen und dynamischer Lichtquellen stellt daher eine große Herausforderung dar.<br />Diese Diplomarbeit, gibt einen generellen Überblick über globale Beleuchtungsverfahren. Spherical Harmonics werden als Überblick im Kapitel State of the Art eingeführt, gefolgt von aktuellen interaktiven globalen Beleuchtungsverfahren für Höhenfeldern.<br />Der Kern dieser Arbeit ist für jeden Punkt auf dem Höhenfeld den sichtbaren Horizont zu berechnen. Dieser kann mittels einer Textur-Pyramide effizient angenähert werden. Die lokalen Lichtquellen werden mittels sphärischer Lichtquellen angenähert. Weiters wird die eingehende Strahlung von einer Lichtquelle an einem Punkt auf Kugelflächenfunktionen (Spherical Harmonics) abgebildet. Im Gegensatz zu generellen globalen Beleuchtungsverfahren berechnet unsere Methode weiche Schatten auf Höhenfeldern effizient und überzeugend.<br />

This thesis presents a method to compute soft shadows from environment maps and local light sources on dynamic height fields, extending the work of Snyder et al. [29]. While direct illumination in static scenes is very common in video games and 3D applications, real-time global illumination methods supporting dynamic scenes and lights are still an active field of research.<br />In this work, a short general introduction to global illumination and spherical harmonics is presented as well as an overview of the state of the art methods in interactive global illumination for height fields.<br />In our method, visibility at each receiver point of a height field is determined by the visible horizon, which can be approximated efficiently using a multi-resolution sampling approach. Local light sources are represented by spherical lights and the incident radiance at receiver points is projected into the spherical harmonic basis. Hence, this method produces convincing shadows on dynamic height fields more efficiently than global illumination methods for general geometry.