Interactive, progressive photon tracing using a multi-resolution image-filtering approach

Abstract

Moderne Arbeitsabläufe in Architektur und professioneller Gebäudebeleuchtung erfordern physikalisch korrekte Lichtsimulationen für detaillierte und komplexe 3D-Modelle. Aktuelle Arbeitsabläufe für Leuchten-Entwicklung und Beleuchtungsplanung sind nicht aufeinander abgestimmt. Bei der Leuchten-Entwicklung werden CAD-Programme verwendet, um 3D-Modelle von Leuchten zu erstellen und Offline-Rendering-Tools, um die Lichtverteilung dieser Modelle zu visualisieren. Mit Hilfe einer interaktiven Lichtplanungssoftware können während der Beleuchtungsplanung Lichtkonzepte entworfen werden, indem Modelle von zuvor erstellten Leuchten in einer 3D-Szene platziert werden. Zu diesem Zeitpunkt ist es nicht mehr möglich, die Lichtverteilung der während der Leuchten-Entwicklung erstellten Lichtquellen zu modifizieren. In dieser Diplomarbeit wird ein interaktiver, globaler Beleuchtungs-Algorithmus vorgestellt, der die Lichtverteilung einer Leuchte simuliert. Der Algorithmus erzeugt optisch ansprechende Zwischenresultate bei interaktiven Bildwiederholraten, bevor er zu einer physikalisch plausiblen Lösung konvergiert. Das Endresultat beschreibt die Lichtausbreitung einer Leuchte und kann als solches direkt in eine Lichtplanungssoftware importiert werden. Wir kombinieren einen interaktiven, progressiven Photon-Tracing-Algorithmus mit einem Multi-Resolution Bild-Filter. Unser Algorithmus emittiert Photonen in eine 3D-Szene eines Leuchten-Modells und verbessert die Ergebnisse mit jeder Iteration. Wir verwenden Mipmaps, um verschiedene Auflösungen einer Textur zu erzeugen und integrieren Filter-Techniken, um optisch ansprechende Zwischenergebnisse zu erhalten. Evaluierungen auf Grundlage objektiver Qualitätsmetriken zeigen, dass der präsentierte Ansatz die Bildqualität im Vergleich zu ungefilterten Ergebnissen erhöht. Der vorgestellte Algorithmus ermöglicht eine schnelle Vorschau auf die Endresultate und erlaubt es, Geometrie und Materialeigenschaften einer Leuchte in Echtzeit zu editieren. Dies reduziert die Zeit zwischen einzelnen Modifikatios-Iterationen und macht Leuchten-Entwicklung damit zu einem interaktiven Prozess, wodurch die Gesamtproduktionszeit verringert wird. Darüber hinaus integriert der vorgestellte Ansatz Leuchten-Entwicklung in Beleuchtungsplanung und stellt somit eine neue Methode dar, um zwei ehemals getrennte Arbeitsabläufe zu verbinden.

Modern workflows in architectural planning and lighting design require physically reliable lighting simulations for detailed and complex 3D models. Current workflows for luminaire design and lighting design are not tailored to each other. During luminaire design, CAD programs are used to create 3D models of luminaires, and offline rendering tools are used to visualize the light distribution. In lighting design, light concepts are explored by placing light sources - previously created during luminaire design - in a 3D scene using an interactive light-planning software, but it is not possible to modify the light sources themselves. This thesis presents an interactive global-illumination algorithm to simulate the light distribution of a luminaire. The algorithm produces visually pleasing intermediate results at interactive frame rates, before converging to a physically plausible solution that can be imported as a representation of a light source into a light-planning software. We combine an interactive, progressive photon-tracing algorithm with a multi-resolution image-filtering approach. Our algorithm iteratively emits photons into a 3D scene containing the model of a luminaire and progressively refines results. We use mipmaps to create a multi-resolution approach and incorporate image-filtering techniques to obtain visually pleasing intermediate results. Evaluations based on objective quality metrics show that the presented image-filtering approach increases image quality when compared to non-filtered results. The proposed algorithm provides fast previews and allows interactive modifications of the geometry and material properties of the luminaire in real time. This reduces time between modification iterations and therefore turns luminaire design into an interactive process that reduces overall production time. Furthermore, the presented approach integrates luminaire design into lighting design and therefore provides a new way to combine two former decoupled workflows.