How to make a Pixar Movie

How to make a Pixar MoviePhoton Mappingcomputer graphics & visualizationcomputer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 20111Photon Mapping1993/94 entwickelt vonHenrik Wann Jensen

1995 Verffentlicht als PhD an der Technical Universityof Denmark

Derzeit Associate Professor am Computer Graphics Laboratory an der University of California San Diego

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 20112MotivationUnzulnglichkeit des klassischen Raytracings:Ineffiziente Simulation Globaler Beleuchtungseffekte

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 20113MotivationDirekte Beleuchtung vs. Globale Beleuchtung

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 20114MotivationWeitere Effekte der Globalen Beleuchtung

Color Bleeding

James Gurneycomputer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 20115MotivationWeitere Effekte der Globalen Beleuchtung

Kaustiken

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 20116MotivationBsp. einer GI-Technik:

Path TracingWeiterverfolgen des Strahls durch die Szene

Problem: Hohe Invarianzcomputer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 20117Global IlluminationProblem: Bisherige Lsungen sehr ineffizientLsung: Photon MappingEffiziente Berechnung der diffusen Komponente der Globalen BeleuchtungErgnzung zu RaytracingStreuung von Licht in z.B RauchParticipating MediaParallelisierbar

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 20118AnsatzLichtteilchen (Photonen) werden von Lichtquelle emittiert

Pfad der Photonenwird durch Szene verfolgt

Auftreffen der Photonen wird abgespeichert in einer Photon Map

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 20119Ansatz

Backward TracingKlassisches RaytracingForward TracingPhoton Mappingcomputer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 201110Two Pass Methode

Photon Tracing Pass

Rendering PassPhotonen von der Lichtquelle durch das Modell verfolgen

Bei Treffer:Absorbieren & SpeichernReflektieren & Weiterverfolgen

Rendern unter Zuhilfenahme der Informationen aus der Photon Map um das Rendern effizienter zu gestalten

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 201111

Photon Tracing Passcomputer graphics & visualizationcomputer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Emission der PhotonenStrke der Lichtquelle wird simuliert durch Anzahl der PhotonenSchwchere Lichtquelle Weniger Photonen1000 Photonen halber strker entsprechen 500 Photonen ganzer Strke

Alle Photonen gleich starkEinfachere BerechnungWeniger Speicheraufwand

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 201113Lichtquellen

PunktDirektionalFlcheFreie Formcomputer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 201114OptimierungsmglichkeitProjection Map

Aussenden von Photonen nur in Bereiche mit Geometrie

aktivinaktivcomputer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 201115LichtstreuungDiffusReal spekularIdealspekular

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 201116Russisches Roulettecomputer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 201117Russisches RouletteBeispiel:Oberflche ist 0.25 spiegelnd und 0.25 diffus

50 % der Photonen werden absorbiert25 % der Photonen werdendiffus reflektiertd.h. gespeichert & deren Pfad weiter verfolgt25 % der Photonen werden gespiegeltd.h. nicht gespeichert & deren Pfad weiter verfolgtcomputer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Warum Russisches Roulette?Bsp: Material 33% diffus reflektierend

Bei 3 eintreffenden Photonen:nicht 3 Photonen mit 33% Strkesondern 1 Photon mit 100% Strke

Strke der Photonen miteinander VergleichbarWeniger Photonen zum Abspeicherncomputer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011SpeicherungAnforderungen:Schnell und kompakt um groe Datenmengen zu speichern und zu durchsuchen

Vorschlag 1:Mehrdimensionale ArraysProblem: Suche nach nchstem Nachbar zu kostspielig

Vorschlag 2:3D- Gitter unterteilt in regelmige UnterwrfelProblem: Photonen nicht gleichmig verteilt (Speicherung nur an Oberflchen, Kaustiken)

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011kd-TreeMultidimensionaler binrer Suchbaum

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011kd-Tree

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011kd-Tree

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011kd-Tree

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011kd-Tree

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011kd-Tree

Im balancierten Baum:

OperationZeitEinfgen eines KnotensO(log n)Entfernen eines KnotensO(log n)Suche nach KnotenO(log n)Suche nach nchstem NachbarO(log n)Suche nach den k nchsten NachbarnO(k + log n)

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Photon MapNormalerweise zwei Photon Maps:

Global Photon MapCaustics Photon MapHohe Photonendichte fr Kaustiken ntigKonzentration auf gewnschte Bereiche durch Projection Map

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Photon MapPhotonen, erstes auftreffen

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 201128Photon MapPhotonen nach 2 Reflektionen

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 201129

Rendering Passcomputer graphics & visualizationcomputer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Die RendergleichungEmittiertes LichtReflektiertes LichtPhoton Mapping(Bei gengend groer Photonenzahl)computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Photonmapping in der Praxis

RaytracingPhoton-mappingcomputer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 201132Radiance EstimateRadiance Estimate:Abschtzen der Beleuchtungsstrke an einem gewissen PunktBeleuchtungsstrke abhngig von der Dichte der Photonen in der Umgebung

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Radiance Estimate2 StrategienSpanne eine Kugel auf mit Radius r Bercksichtige alle Photonen innerhalbZahl N der Photonen ist vorgegebenSpanne Kugel auf bis sie N Photonen enthlt

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 201134Radiance Estimatecomputer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Radiance EstimateProblem: Ungenauigkeiten an Kanten

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Photon MappingDirect Illumination

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Photon MappingDepth: 0, Radius 0.025

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Photon MappingDepth: 1, Radius 0.025

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Photon MappingDepth: 5, Radius 0.025

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011ZusammenfassungErweiterung von Raytracing-basierten VerfahrenSimulation der diffusen Komponente der Globalen BeleuchtungZwei Passes:Photon Tracing PassPhotonen werden von der Lichtquelle aus durch die Szene verfolgtRendering PassGespeicherte Photonen dienen zur Abschtzung der indirekten Beleuchtungcomputer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011ZusammenfassungVorteile des Photon MappingSehr effizient im Vergleich zu anderen VerfahrenIndirekte Beleuchtung wird unabhngig von der Geometrie gespeichertcomputer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Beispiel

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Fragen?

computer graphics & visualizationcomputer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Backup Foliencomputer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Zusatz: FilteringUnscharfe Kanten bei indirekter Beleuchtung erwnschtUnerwnscht bei Kaustiken

Lsung: FilteringStrkere Gewichtung der Photonen nahe des Point of Interestcomputer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Zusatz: Filteringcomputer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Zusatz: Subsurface Scattering

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Zusatz: Subsurface Scattering

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Zusatz: Subsurface ScatteringDiffuse Reflektion

AnnherungRealitt

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Zusatz: Subsurface Scattering

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Zusatz: Participating Media

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Zusatz: Photon ScatteringSpeicherung in Volume Photon Map

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011Zusatz: Radiance EstimateRay Marching

computer graphics & visualizationPhoton MappingAndreas Schmidt 2011