Echtzeit Approximation von Photometrischen Flächenlichtquellen für Interaktives Lichtdesign

Abstract

Photometrische Flächenlichtquellen sind Lichtquellen mit einer Abstrahlcharakteristik, die denen von Leuchten aus der echten Welt gleicht. Sie haben eine wichtige Rolle im Lichtdesign und der Lichtplanung, wo mit ihrer Hilfe Beleuchtung durch Echtweltleuchten simuliert wird. Um akkurate Ergebnisse zu erhalten, können offline Algorithmen wie Path Tracing verwendet werden, um die globale Beleuchtung durch diese Lichter fehlerfrei auszuwerten. Um jedoch Lichtdesignern eine interaktive Arbeitsweise zu ermöglichen, ist es notwendig, photometrische Lichter auch in Echtzeit auswerten zu können. Aktuelle Echtzeit-Lösungen sind jedoch fehlerbehaftet, wenn eine Lichtquelle zu nah an beleuchteten Objekten ist. In dieser Diplomarbeit präsentieren wir eine neue Technik zur Auswertung von photometrischen Flächenlichtquellen in Echtzeit. Die Technik basiert auf der Kombination von zwei Sampling Methoden, die derzeit in modernen Game Engines zur Approximation von diffusen Flächenlichtquellen verwendet werden. Flächenlichtquellen werden zuerst mit der kombinierten Sampling Methode gesampelt, danach wird die Beleuchtung mit einer Kubatur Technik basierend auf der Delaunay Triangulation berechnet. Um diese Berechnung in Echtzeit durchzuführen, haben wir unsere Technik auf der GPU implementiert und dazu eine kompakte Dreieck-Datenstruktur entwickelt, welche es ermöglicht, eine Delaunay Triangulation effizient auf der GPU zu generieren. Das Ergebnis dieser Diplomarbeit ist eine neue Technik, welche photometrische Flächenlichtquellen visuell plausibel in Echtzeit annähern kann, wenn die Lichtquelle nah bei beleuchteten Objekten ist.

Photometric area light sources are modeled after real-world luminaires and are used in lighting design to accurately simulate lighting. An accurate evaluation of their illumination can be computed with offline global-illumination algorithms. However, such algorithms take time to compute a solution. Therefore, real-time approximations are required to enable an interactive lighting-design workflow. However, currently used techniques are prone to errors when the light source is close to illuminated objects. In this thesis, we present a new technique to approximate photometric area lights in real time. This new technique is based on combining two sampling strategies that are currently used in game engines to approximate the illumination from diffuse area lights. Our technique samples the photometric area light with this combined sampling strategy and then computes the illumination with a cubature technique based the Delaunay triangulation. To do this in real time, we implemented our method on the GPU and developed a compact triangle data structure that enables an efficient generation of a Delaunay triangulation. The result of this thesis is a new technique for photometric area lights that creates visually plausible approximations in real time when the light source is close to illuminated objects.