Global Illumination of large Scenes using Illumination-driven Geometry Adaptation

• Applicant: Professor Dr. Thorsten Grosch
• Subject Area: Image and Language Processing, Computer Graphics and Visualisation, Human Computer Interaction, Ubiquitous and Wearable Computing
• Term: from 2013 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 228504856

Final Report Abstract

Im diesem Projekt wurden Monte-Carlo-basierte globale Beleuchtungsverfahren für Out-of-Core Szenen erweitert sowie eine beleuchtungsgesteuerte Geometriereduktion entwickelt. Zunächst konnte Stochastic Progressive Photon Mapping (SPPM) für Out-of-Core Szenen erweitert werden und auf einem lokalen Netzwerk parallel simuliert werden (DOSPPM). Dabei wurde eine korrekte, konsistente Darstellung erreicht, obwohl keiner der Rechner die gesamte Geometrie in den Hauptspeicher einladen kann. Speziell an den Übergängen zwischen der aufgeteilten Geometrie treten dabei keine Darstellungsfehler auf. Um bei einer globalen Beleuchtungssimulation den vorhandenen Speicher optimal auszunutzen, wurde eine beleuchtungsgesteuerte Geometriereduktion entwickelt. Diese wird alternierend zu Monte-Carlo-basierten Beleuchtungsverfahren wie Photon Mapping oder Path Tracing ausgeführt. Dabei wird die Wichtigkeit von Geometrieregionen bezogen auf die im Bild sichtbare Leuchtdichte bestimmt. Für die Geometriereduktion wurde ein Kriterium entwickelt, das sowohl den Geometriefehler als auch die sichtbare globale Beleuchtung berücksichtigt. Somit kann weiterhin die sichtbare Geometrie unter Berücksichtigung der Krümmung der Oberfläche reduziert werden, aber auch die globalen Beleuchtungseffekte, wie Schatten, indirektes Licht und Kaustiken bei der Reduktion erhalten werden. Da die relativ zeitaufwändige Geometriereduktion mehrfach in der Simulation aufgerufen wird, wurde weiterhin eine Parallelisierung der Geometriereduktion entwickelt. Hierfür wurde ein spezieller Heap eingeführt, bei dem mehrere Threads zeitgleich Elemente mit hoher Priorität entnehmen können, sodass die Geometriereduktion parallel an günstigen Stellen ausgeführt werden kann. Dies führt zu einer Beschleunigung um den Faktor 2 bis 2.6, wobei die reduzierte Geometrie dabei sehr ähnlich zu einer sequentiellen Reduzierung bleibt. Zu dem Projekt wurden einige Publikationen auf der wichtigsten internationalen Rendering-Konferenz (Eurographics Symposium on Rendering) veröffentlicht. Eine Publikation erhielt auf der Vision, Modeling and Visualization Konferenz einen Honorable Mention Award.

Publications

• Distributed Out‐of‐Core Stochastic Progressive Photon Mapping. Computer Graphics Forum, 33(6), 154-166.
  Günther, Tobias & Grosch, Thorsten
  
• Illumination‐driven Mesh Reduction for Accelerating Light Transport Simulations. Computer Graphics Forum, 34(4), 165-174.
  Reich, Andreas; Günther, Tobias & Grosch, Thorsten
  
• Precomputed illuminance composition for real-time global illumination. Proceedings of the 20th ACM SIGGRAPH Symposium on Interactive 3D Graphics and Games, 3(2016, 2, 27), 129-137. ACM.
  Jendersie, Johannes; Kuri, David & Grosch, Thorsten
  
• Real-Time Global Illumination Using Precomputed Illuminance Composition with Chrominance Compression. Journal of Computer Graphics Techniques (JCGT) 2016
  Jendersie, Johannes; Kuri, David & Grosch Thorsten
  
• Preserving Shadow Silhouettes in Illumination‐Driven Mesh Reduction. Computer Graphics Forum, 39(6), 155-166.
  Bethe, F.; Jendersie, J. & Grosch, T.
  
• Relaxed Parallel Priority Queue with Filter Levels for Parallel Mesh Decimation. Vision, Modeling, and Visualization 2022
  Stümmel, Marvin; Brüll, Felix & Grosch, Thorsten