Artistic Path Space Editing of Physically Based Light Transport

Die Erzeugung realistischer Bilder ist ein wichtiges Ziel der Computergrafik, mit Anwendungen u.a. in der Spielfilmindustrie, Architektur und Medizin. Die physikalisch basierte Bildsynthese, welche in letzter Zeit anwendungsübergreifend weiten Anklang findet, bedient sich der numerischen Simulation des Lichttransports entlang durch die geometrische Optik vorgegebener Ausbreitungspfade; ein Modell, welches für übliche Szenen ausreicht, Photorealismus zu erzielen.

Insgesamt gesehen ist heute das computergestützte Verfassen von Bildern und Animationen mit wohlgestalteter und theoretisch fundierter Schattierung stark vereinfacht. ... mehrAllerdings ist bei der praktischen Umsetzung auch die Rücksichtnahme auf Details wie die Struktur des Ausgabegeräts wichtig und z.B. das Teilproblem der effizienten physikalisch basierten Bildsynthese in partizipierenden Medien ist noch weit davon entfernt, als gelöst zu gelten.

Weiterhin ist die Bildsynthese als Teil eines weiteren Kontextes zu sehen: der effektiven Kommunikation von Ideen und Informationen. Seien es nun Form und Funktion eines Gebäudes, die medizinische Visualisierung einer Computertomografie oder aber die Stimmung einer Filmsequenz -- Botschaften in Form digitaler Bilder sind heutzutage omnipräsent. Leider hat die Verbreitung der -- auf Simulation ausgelegten -- Methodik der physikalisch basierten Bildsynthese generell zu einem Verlust intuitiver, feingestalteter und lokaler künstlerischer Kontrolle des finalen Bildinhalts geführt, welche in vorherigen, weniger strikten Paradigmen vorhanden war.

Die Beiträge dieser Dissertation decken unterschiedliche Aspekte der Bildsynthese ab. Dies sind zunächst einmal die grundlegende Subpixel-Bildsynthese sowie effiziente Bildsyntheseverfahren für partizipierende Medien. Im Mittelpunkt der Arbeit stehen jedoch Ansätze zum effektiven visuellen Verständnis der Lichtausbreitung, die eine lokale künstlerische Einflussnahme ermöglichen und gleichzeitig auf globaler Ebene konsistente und glaubwürdige Ergebnisse erzielen. Hierbei ist die Kernidee, Visualisierung und Bearbeitung des Lichts direkt im alle möglichen Lichtpfade einschließenden "Pfadraum" durchzuführen. Dies steht im Gegensatz zu Verfahren nach Stand der Forschung, die entweder im Bildraum arbeiten oder auf bestimmte, isolierte Beleuchtungseffekte wie perfekte Spiegelungen, Schatten oder Kaustiken zugeschnitten sind. Die Erprobung der vorgestellten Verfahren hat gezeigt, dass mit ihnen real existierende Probleme der Bilderzeugung für Filmproduktionen gelöst werden können.

Creating realistic images is an important goal of computer graphics, with applications, among others, in the feature film, architecture, and medical industries. Physically based rendering, which has recently seen wide adoption across fields, refers to the accurate numerical simulation of light transport along the paths prescribed by the model of geometric optics, which is sufficient to achieve photorealism for typical scenes in the aforementioned cases.

Overall, the computer-based authoring of images and animations with well-designed and theoretically sound shading is vastly simplified today. ... mehrHowever, taking into account details such as the structure of the output device is important for practical implementations, and, for example, the subdomain of scalable physically based rendering of participating media is far from being a solved problem.

Moreover, image synthesis is only one part of a larger process: the effective communication of ideas and information between people. Be it the shape and function of a building, the medical visualization of a computed tomography scan, or the mood of a movie sequence: messages in the form of reconstructed images are ubiquitous in today's world. Unfortunately, adoption of the simulation-centered methodology of physically based rendering has also led to a loss of intuitive, fine-grained, and local artistic control over the final image that was present in earlier, less rigorous paradigms.

The contributions of this dissertation cover several aspects of image synthesis, spanning the range from high-quality rendering of finely detailed geometry at the subpixel level, to efficient physically based rendering algorithms for participating media. The main focus of this work, however, are approaches that enable effective visual understanding and artistic manipulation of light transport, while maintaining globally consistent, plausible results. The central idea is that visualization, selection, and editing operations should be performed directly in the space encompassing all possible light paths, as opposed to state-of-the-art methods which either work in image space or are tailored to specific, isolated lighting effects, such as mirror reflections, shadows, or caustics. Testing of the proposed methods has shown them to be effective in solving real-world rendering problems.