Visualisierung von Lichttransport in realen und synthetischen Szenen und Anwendung im Beleuchtungsdesign in Architektur und Filmproduktionen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Ausbreitung von Licht ist in ihrer Gesamtheit ein komplexer Vorgang: Licht wird von Lichtquellen emittiert, an Oberflächen und in Materialien gestreut, und die Ausbreitungsrichtungen kreuzen und überlagern sich praktisch überall. Mit Methoden der Computergrafik werden diese Vorgänge simuliert, um fotorealistische Bilder zu berechnen. In diesem Forschungsprojekt wurde zunächst untersucht, wie sich die Lichtausbreitung so visualisieren lässt, dass auch komplexe Vorgänge hierbei für den Menschen verständlich werden. Hierzu wurden Methoden entwickelt, die die Lichtausbreitung in einer virtuellen dreidimensionalen Szene simulieren (bzw. den Lichttransport einer realen Umgebung aufzeichnen), analysieren und durch geeignete Abstraktionen grafisch darstellen. Diese Mechanismen wurden durch Einbindung und Interaktion des Benutzers unterstützt, um bestimmte Fragestellungen zu beantworten („welchen Weg hat das Licht genommen, das ich hier sehe?“) und gezielte visuelle Analysen durchzuführen, beispielsweise im Hinblick auf Vorgaben bei der Beleuchtung in Gebäuden, in Fahrzeugen oder bei Scheinwerfern. Diese Visualisierungswerkzeuge können von Architekten, Künstlern und Ingenieuren beim Beleuchtungsdesign, also dem Herstellen oder der Entwurf einer bestimmten Beleuchtungssituation, eingesetzt werden. Während das Beleuchtungsdesign bei diesen Anwendungen den physikalischen Gesetzten unterliegt, und die Platzierung von Lichtquellen oder die Wahl von Materialien unterstützt wird, so gibt es bei Filmproduktionen, Marketing und Videospielen mehr Freiheiten: hier kann die Beleuchtung – auch abweichend von der Physik – kontrolliert oder manipuliert werden, beispielsweise um künstlerischen Vorstellungen zu folgen. Die grundliegende Idee war, solche Manipulationen ausgehend von einer physikalischen Simulation des Lichttransports durchzuführen, die vermehrt in den Software-Paketen im industriellen Umfeld eingesetzt wird, und nur gezielt von der „Realität“ abzuweichen. Eine damit verbundene Anforderung war, diese Änderungen konsistent durchzuführen und das beispielsweise eine durch Manipulation angestrahlte Fläche einen Teil dieses Lichts zurück in die Szene reflektiert. Die größte Herausforderung bei der Umsetzung dieser Ideen waren die Entwicklung angepasster Simulationsmethoden, die flexibel und ausreichend robust für reale Anwendungen und gleichzeitig performant genug für interaktive Visualisierungen und Darstellungen. Ebenfalls wurden weitere Visualisierungstechniken entwickelt, um dem Betrachter überhaupt zu ermöglichen die Manipulationen zu kontrollieren und spezielle Interaktionsmechanismen, um die komplexen Lichttransportphänomene auszuwählen. Weitere Forschungsergebnisse dieses Projekts waren verbesserte Darstellungstechniken für Visualisierungen, die die scheinbare Auflösung eines Displaygeräts durch Ausnutzung der Subpixel-Struktur erhöht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Selective Inspection and Interactive Visualization of Light Transport in Virtual Scenes. Computer Graphics Forum 31(2) (Proc. of Eurographics), 2012
T. Reiner, A. Kaplanyan, M. Reinhard, C. Dachsbacher
- Path-Space Manipulation of Physically-Based Light Transport. ACM Transactions on Graphics 32(4) (Proc. of SIGGRAPH), 2013
T.-W. Schmidt, J. Novak, J. Meng, A.S. Kaplanyan, T. Reiner, D. Nowrouzezahrai, C. Dachsbacher
- Progressive Visibility Caching for Fast Indirect Illumination. Proc. of Vision, Modeling, and Visualization, 2013
J. Ulbrich , J. Novak, H. Rehfeld, C. Dachsbacher
- Low-Cost Subpixel Rendering for Diverse Displays. Computer Graphics Forum 33(1), 2014
T. Engelhardt, T.-W. Schmidt, J. Kautz, C. Dachsbacher
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/cgf.12267) - State of the Art in Artistic Editing of Appearance, Lighting, and Material. Computer Graphics Forum, 2015
T.-W. Schmidt, F. Pellacini, D. Nowrouzezahrai, W. Jarosz, C. Dachsbacher
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/cgf.12721)
