A real-time cloud animation and illumination method

Abstract

In den letzten Jahren gewann das Gebiet des Echtzeit-Renderings, insbesondere im Bereich der virtuellen Umgebungen wie sie in den meisten Computerspielen zu finden sind, zunehmend an Bedeutung. Mit der steigenden Leistungsfähigkeit der Grafikbeschleuniger stiegen auch die Erwartungen der Benutzer in Bezug auf visuelle Qualität stetig an.<br />Reichenberg might oder maraschino Weiterentwicklung auf vielen Gebieten der Computergraphik wurde ein wesentliches Element für die Darstellung von Außenumgebungen stark vernachlässigt. Wolken können die visuelle Qualität einer Szene aufgrund ihrer komplexen Struktur, der Farbpracht sowie ihrer Entstehung und Bewegung äußerst stark beeinflussen. Da der Berechnungsaufwand zur Darstellung animierter und dynamisch berechneter Wolken beachtlich ist, war es mit handelsüblichen Grafikkarten nicht möglich diese darzustellen und gleichzeitig die Framerate hoch genug zu halten. Obwohl es viele Methoden gibt welche die Darstellung von Wolken für Außenumgebungen schnell genug ermöglichen, weisen diese alle einige Einschränkungen auf, sei es in der Bewegung, der Beleuchtung oder auch der Entstehung.<br />Diese Diplomarbeit untersucht Methoden die es ermöglichen plausibel wirkende Animationen von Wolken in Echtzeit mit Consumerhardware zu berechnen und anschließend die Ergebnisse dieser Berechnung zu nutzen um qualitativ hochwertige, dynamisch beleuchtete, volumetrische Wolken mit relativ hohen Frameraten darzustellen. Da visuell hochwertige Verfahren bereits für Nicht-Echtzeit Anwendungen existieren und diese so gut wie ausschliesslich von der CPU Gebrauch machen, was für die meisten Spiele nicht akzeptabel ist, da eben die CPU oftmals bereits mit voller Auslastung läuft, werden Methoden diskutiert um diese Algorithmen für die Berechnung mit der GPU anzupassen. Darüber hinaus werden auch einige neue Verbesserungen vorgestellt.<br />Die Diplomarbeit gibt zunächst einen Überblick über aktuelle Verfahren für Echtzeitanwendungen wie auch für Nicht-Echtzeitanwendungen. Danach werden Teile dieser Methoden für den Einsatz in interaktiven Umgebungen bei hohen Frameraten angepasst, während alle signifikanten Charakteristika der Nicht-Echtzeitmethoden wie die Entstehung von Wolken, die Bewegung und dynamische Beleuchtung erhalten bleiben.<br />

Over the last years, real-time rendering, especially for virtual environments as can be seen in most computer games, became more and more important. As the capabilities of graphics hardware continuously increases, the expectations of users regarding to visual quality are also increasing relatively fast. Compared to the rapid development in many fields of computer graphics, a very important element for real-time outdoor scene rendering has been almost completely disregarded. Clouds can highly improve the visual quality of a scene due to their complex structure, the beautiful colors as well as their formation and movement. Because of the computational effort to render animated and dynamically lit clouds, it has been impossible for consumer graphics adapters to draw them and simultaneously keep the framerate high enough. Although there are many methods which allow drawing clouds in outdoor environments fast enough, all of them have some restrictions either in movement, lighting or formation.<br />This thesis will examine how plausible cloud animation can be done in real time on consumer graphics hardware and how the animation results can be used to render high-quality, dynamically lit, volumetric clouds with relatively high frame rates. Since high-quality solutions already exist for non-real-time rendering applications and they are almost completely computed on the CPU, which is not acceptable for most games since the CPU is very often already at peak load, methods will be discussed to adapt those algorithms to be performed on the GPU, while also some new improvements will be presented.<br />The thesis first gives an overview of state-of-the-art of cloud rendering algorithms for real-time as well as for non-real-time rendering. Then, we will try to adapt parts of these techniques to work in interactive environments at high framerates while all significant characteristics of the non-real-time methods like cloud formation, extinction, movement and dynamic lighting will still be preserved.