Dynamic Global Illumination

Incremental Light Propagation Volumes

In Echtzeitanwendungen werden meist globale Beleuchtung komplexer virtueller Szenen vorberechnet. Diese präzise Berechnung dauert oft je nach Komplexität mehrere Minuten bis einige Stunden. Im Anschluss werden die Ergebnisse in Texturen gespeichert, um sie in der virtuellen Realität wiederzugeben. Zwar können auf diese Weise indirekte Schatten und indirekte Beleuchtungen betrachtet werden, doch reduziert diese statische Berechnung sowohl Interaktion als auch Immersion stark. So können etwa Lichtquellen und virtuelle Gegenstände nicht frei bewegt werden.

Diese Begrenzung wird im Rahmen einer Bachelorarbeit aufgehoben, so dass nun globale Beleuchtung dynamisch berechnet wird, abhängig von Lichtquellen und virtuellen Gegenständen. Dabei wird ein relativ neues Verfahren, genannt Light Propagation Volumes, weiterentwickelt und erstmalig in einer CAVE eingesetzt, da es sich besonders gut für stereoskopische Anwendungen eignet. Hierbei wird die virtuelle Szene anhand eines uniformen dreidimensionalen Gitters in viele Volumenelemente (Voxels) unterteilt. Die Lichtausbreitung lässt sich damit schneller berechnen, indem Spektra zu benachbarten Voxels massiv parallel propagiert werden. Kurz vor Beginn der Propagierung emittieren noch alle primären Lichtquellen Energie in dieses Gitter, z.B. durch virtuelle Taschenlampen. Dank leistungsstarker professioneller Grafikkarten (NVIDIA Quadro 6000), neuester Treiber, NVIDIA CUDA und optimierter Implementierung wird die virtuelle Lichtverteilung für alle primären Farbkanäle zusammen in nur 2.7ms approximiert.

Die eingesetzte Weiterentwicklung, Incremental Light Propagation Volumes, erhöht die Rendering Qualität bei konstanter Leistung, indem die letzten Ergebnisse der Lichtverteilung wiederverwendet werden. Praktisch propagiert damit das Licht weiter, das durch Experimente bestätigt wurde. Insbesondere wird die Lichtverteilung ca. 60 mal in jeder Sekunde nicht komplett neu berechnet. So kann der Archäologe digitalisierte Grabmäler sowie Fundstücke mit einer virtuellen Taschenlampe erkunden und untersuchen. Im Anwendungsbereich der Architektur kann beispielsweise die Beleuchtung von Räumen während der intensiven Entwicklungsphase frühzeitig überprüft werden - ein realistischer Eindruck der entworfenen Architektur kann ebenfalls schnell gewonnen werden. Dank starker Immersion können Ängste in speziellen virtuellen Welten therapiert werden - z.B. Höhen- oder Platzangst.

Kontakt

Benjamin Sommer
Institut für Medieninformatik
Amalienstraße 17
80333 München
sommerb@cip.ifi.lmu.de

Dr. Christoph Anthes
Institut für Informatik
MNM Team
Ludwig-Maximilians-Universität
Oettingenstraße 67
80538 München