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Für die realistische Betrachtung einer virtuellen Szene spielt neben der direkten Beleuchtung auch die Ausbreitung des indirekten Lichtes eine wichtige Rolle. Die Berechnung der indirekten Beleuchtung benötigt grundsätzlich Informationen über die gesamte Szene, nicht nur über den für die Kamera sichtbaren Ausschnitt, der in bildraumbasierten Techniken zum Einsatz kommt. Mittels Voxelisierung kann die Szene in eine dreidimensionale, diskrete und GPU-freundliche Repräsentation überführt werden. In dieser Arbeit werden Voxelrepräsentationen hinsichtlich ihrer Eignung für den globalen Lichtaustausch in dynamischen und großen Szenen untersucht. Nach einer Einführung und einem Literaturüberblick über existierende Voxelisierungs- und Beleuchtungsverfahren, die Voxel als Grundlage nutzen, wird ein Voxelisierungsverfahren entwickelt, das sich für Szenen mit dynamischen Objekten eignet. Auf der Grundlage des Strahlenschnitt-Tests mit binärer Voxelhierarchie werden dann zwei Beleuchtungsalgorithmen umgesetzt, implementiert und evaluiert: Monte-Carlo-Integration der Hemisphäre eines Szenenpunktes und Beleuchtung der Szenenpunkte mit virtuellen Punktlichtquellen.
The present thesis covers the implementation and optimization of global illumination in three-dimensional scenes. Global illumination does not only consider direct illumination dependent on one or more light sources, but also indirect illumination which is emitted by surrounding objects in the scene. The thesis focuses on the implementation of a global illumination method and its improvement using OpenGL 4.4. This is done by a voxelization of the scene. By traversing the resulting voxel structure, additional information is taken from the scene, which contributes to a plausible global illumination.
This thesis imparts a general view of the mechanics and implementation of latest voxelization strategies using the GPU. In addition to established voxelization procedures using the rasterization pipeline, new possibilities arising from GPGPU programming are examined. On the basis of the programming language C++ and the graphics library OpenGL the implementation of several methods is explained. The methods are compared in terms of performance and quality of the resulting voxelization and are evaluated critically with regards to possible use cases. Furthermore, two exemplary applications are detailed that use a voxelized scene in such a way that the augmentation of established techniques of real time graphics are facilitated. To this end, the concepts and the implementations of Transmittance Shadow Mapping and of Reflective Shadow Mapping utilizing a voxel based ambient occlusion effect is explained. Finally, the prolonging relevance of voxelization is put into prospect, by addressing latest research and further enhancements and applications of the presented methods.