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Rendering view dependent reflections using the graphics card

  • Real-time graphics applications are tending to get more realistic and approximate real world illumination gets more reasonable due to improvement of graphics hardware. Using a wide variation of algorithms and ideas, graphics processing units (GPU) can simulate complex lighting situations rendering computer generated imagery with complicated effects such as shadows, refraction and reflection of light. Particularly, reflections are an improvement of realism, because they make shiny materials, e.g. brushed metals, wet surfaces like puddles or polished floors, appear more realistic and reveal information of their properties such as roughness and reflectance. Moreover, reflections can get more complex, depending on the view: a wet surface like a street during rain for example will reflect lights depending on the distance of the viewer, resulting in more streaky reflection, which will look more stretched, if the viewer is locatedrnfarther away from the light source. This bachelor thesis aims to give an overview of the state-of-the-art in terms of rendering reflections. Understanding light is a basic need to understand reflections and therefore a physical model of light and its reflection will be covered in section 2, followed by the motivational section 2.2, that will give visual appealing examples for reflections from the real world and the media. Coming to rendering techniques, first, the main principle will be explained in section 3 followed by a short general view of a wide variety of approaches that try to generate correct reflections in section 4. This thesis will describe the implementation of three major algorithms, that produce plausible local reflections. Therefore, the developed framework is described in section 5, then three major algorithms will be covered, that are common methods in most current game and graphics engines: Screen space reflections (SSR), parallax-corrected cube mapping (PCCM) and billboard reflections (BBR). After describing their functional principle, they will be analysed of their visual quality and the possibilities of their real-time application. Finally they will be compared to each other to investigate the advantages and disadvantages over each other. In conclusion, the gained experiences will be described by summarizing advantages and disadvantages of each technique and giving suggestions for improvements. A short perspective will be given, trying to create a view of upcoming real-time rendering techniques for the creation of reflections as specular effects.
  • Die Entwicklung der echtzeitfähigen Computergrafik ermöglicht mittlerweile immer realistischere Bilder und die Hardware kann dafür optimal ausgenutzt werden, wodurch immer glaubwürdigere Lichtverhältnisse simuliert werden können. Eine große Anzahl von Algorithmen, effizient implementiert auf der Grafikkarte (GPU, auch Grafikprozessor)), sind fähig komplexe Lichtsituationen zu simulieren. Effekternwie Schatten, Lichtbrechung und Lichtreflexion können mittlerweile glaubwürdig erzeugt werden. Besonders durch Reflexionen wird der Realismus der Darstellung erhöht, da sie glänzende Materialien, wie z.B. gebürstete Metalle, nasse Oberflächen, insbesondere Pfützen oder polierte Böden, natürlich erscheinen lassen. Dabei geben sie einen Eindruck der Materialeigenschaften, wie Rauheit oder Reflexionsgrad.rnAußerdem können Reflexionen vom Blickpunkt abhängen: Eine verregnete Straße zum Beispiel würde Licht, abhängig von der Entfernung des Betrachters reflektieren und verwaschene Lichtreflexe erzeugen. Je weiter der Betrachter von der Lichtquelle entfernt ist, desto gestreckter erscheinen diese. Ziel dieser Bachelorarbeit ist, eine Übersicht über existierende Render-Techniken für Reflexionen zu geben, um den aktuellen Stand der Technik abzubilden. Reflexion entsteht durch den Einfall von Licht auf Oberflächen, die dieses in eine andere Richtung zurückwerfen. Um dieses Phänomen zu verstehen, wird eine Auffassung von Licht benötigt. Kapitel 2.1 beschreibt daher ein physikalisches Modell von Licht, gefolgt von Kapitel 2.2, das anhand von Beispielen ästhetisch wirkender Reflexionseffekte aus der realenrnWelt und den Medien die Motivation dieser Arbeit darlegt. In Kapitel 3 soll die generelle Vorgehensweise beim Rendern von Reflexionen deutlich gemacht werden. Danach wird in Kapitel 4 eine grobe Übersicht über existierende Ansätze gegeben. In Abschnitt 5 werden dann drei wesentliche Algorithmen vorgestellt, die zur Zeit oft in Spiel- und Grafikengines verwendet werden: Screen Space Reflections (SSR), Parallax-corrected cube mapping (PCCM) und Billboard Reflections (BBR). Diese drei Ansätze wurden zusammen in einem Framework implementiert. Dieses wird in Kapitel 5 vorgestellt und erklärt, gefolgt von detaillierten Beschreibungen der drei Techniken. Nachdem ihre Funktionsweise erklärt wurde, werden die Ansätze analysiert und auf ihre visuelle Qualität sowie ihre Echtzeitfähigkeit getestet. Abschließend werden die einzelnen Verfahren miteinander verglichen, um ihre Vor- und Nachteile zu untersuchen. Außerdem werden die gewonnenen Erfahrungen beschrieben und Verbesserungsansätze vorgeschlagen. Danach wird ein kurzer Ausblick zur voraussichtlichen Entwicklung von Render-Techniken spekularer Effekte gegeben.

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Metadaten
Author:Guido Schmidt
URN:urn:nbn:de:kola-9088
Referee:Stefan Müller, Gerrit Lochmann
Document Type:Bachelor Thesis
Language:English
Date of completion:2015/01/28
Date of publication:2015/01/28
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 4
Release Date:2015/01/28
Tag:Blickpunktabhängig; Grafikkarte; Grafikprogrammierung; OpenGL; Reflektionen; Shader
Computer Graphics; Graphicsprogramming; OpenGL; Reflections; Rendering; Specular
GND Keyword:Computergraphik; Graphik; Rendering
Number of pages:55
Institutes:Fachbereich 4 / Institut für Computervisualistik
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG