Real-time rendering of dynamic vegetation

Abstract

Pflanzen finden sich in fast allen interaktiven virtuellen Umgebungen wie Videospielen, Szenen-Vorberechnungen in der Preproduction von Filmen oder Architektur-Walkthroughs. Mit jeder neuen Generation von Grafikhardware steigt auch die Qualität der Simulationen, aber die inhärente geometrische Komplexität von Pflanzen, die aus tausenden von Ästen und zehntausenden von Blättern bestehen, und die komplizierte Interaktion mit Sonnenlicht stellen immer noch große Herausforderungen dar. Blätter lassen einen Teil des ankommenden Lichts durch, was einen hellen Durchleucht-Effekt erzeugt, wenn sie gegen die Sonne gehalten werden. Die Animation von Pflanzen ist eine weitere Herausforderung, da tausende von miteinander verbundenen Ästen und dazugehörigen Blättern auf Wind reagieren müssen, der durch die Baumkrone streicht. Für Echtzeitanwendungen müssen diese Effekte mit mindestens 60 Bildern pro Sekunde dargestellt werden.<br />Diese Diplomarbeit beschreibt zwei Algorithmen um Blätter mit hohem Detailgrad und einer physikalisch basierten Lichtdurchlässigkeit darzustellen und um Äste und Blätter entsprechend ihrer physikalischen Eigenschaften zu animieren. Beide Algorithmen werden direkt auf der GPU im Vertex und Pixel Shader ausgeführt und können daher einfach in jede moderne Echtzeit-Renderingapplikation integriert werden. Die Algorithmen sind effizient genug um Pflanzen mit tausenden von Ästen und zehntausenden von Blättern flüssig mit mehr als 60 Bildern pro Sekunde darzustellen und zu animieren.<br />

Plants are present in almost any type of interactive virtual environment like video games, movie pre-visualization or architectural or urban walkthroughs.<br />The simulation complexity of plants increases with the evolution of graphics hardware, but rendering of plants still poses a lot of challenges. This is due to both the inherent geometric complexity of an individual tree having thousands of branches and tens of thousands of leaves, and the complex light interactions between the plant and sunlight. A portion of incoming light is transmitted through leaves, resulting in the bright translucency e ect observed when looking at a leaf against the sun. Animating plants is another challenge, as thousands of interconnected branches and individual leaves have to react to turbulent wind moving through the treetop. All this should be performed at more than 60 frames per second for real-time interactive applications.<br />This thesis presents novel algorithms to render leaves at very high detail with a physically based translucency model and to animate branches and leaves using a stochastic approach based on their physical properties.<br />Both algorithms are executed entirely on the GPU in vertex and pixel shaders, so they can be easily integrated into any modern rendering pipeline. The efficiency of the algorithms allows rendering and animating highly detailed plants with thousands of branches and tens of thousands of leaves at a frame rate of at 60 frames per second.<br />