Simulation und Photorealismus

Abstract

Computer-generierte Bilder haben in vielen Anwendungen Einzug gehalten. Diese reichen von Planung und Design in der Architektur über synthetisch erzeugte Filme und Werbeclips bis hin zu Virtual-Reality-Anwendungen.

Dabei werden immer realistischere Darstellungen immer aufwendigerer Szenen gefordert. Dazu ist es notwendig, Bewegungsabläufe physikalisch korrekt darzustellen und die Beleuchtungssituation der Realität entsprechend wiederzugeben.

Der erste Teil der Arbeit befaßt sich mit der physikalischen Modellierung. Da es in vielen Situationen sehr schwierig und aufwendig wäre, Bewegungsabläufe und Verformungen von Objekten für ganze Animationssequenzen von Hand zu modellieren, muß auf Simulationen zurückgegriffen werden. Diese werden durch Differentialgleichungen beschrieben, die anhand physikalischer Modelle bestimmt und numerisch gelöst werden müssen. Eine wichtige Aufgabe dabei ist die Erkennung und Behandlung von Kollisionen, wofür im Rahmen dieser Arbeit effiziente Algorithmen entwickelt wurden.

Der zweite Teil der Arbeit befaßt sich mit physikalischer eleuchtungssimulation mit Hilfe des Radiosity-Verfahrens, das die Berechnung photorealistischer Darstellungen erlaubt und in vielen Anwendungen erfolgreich eingesetzt wird. Es ist aber aufgrund des hohen Rechenaufwandes für dynamische Szenen meist auf Anwendungen in statischen Szenen beschränkt. Durch Ausnutzung von Kohärenzen kann aber ein großer Teil dieses Aufwandes eingespart werden.

Zunächst wird eine grundlegende Einführung und ein Überblick über bekannte Verfahren gegeben. Im letzten Teil der Arbeit geht es schließlich um die Berechnung von Radiosity-Lösungen für bewegte Szenen, insbesondere um die Berechnung von Filmsequenzen, wofür im Rahmen dieser Arbeit ein effizientes Verfahren entwickelt wurde.

Computer generated images are becoming more and more important for various Applications such as architectural planning and design, synthetically generated movies and commercials or virtual reality applications. More and more realistic representations of more and more complex situations are required.

The first part of this dissertation is about physically based modeling. Since it would take too much effort to model all the movements and deformations of objects by hand, numerical simulations are necessary do calculate these. Such numerical simulations are based on differential equations that have to be determined by physical models and have to be solved numerically. An important task is the detection and handling of collisions, an efficient algorithm for which is presented in this dissertation.

The second part of this dissertation is about physically based illumination simulation using the Radiosity method which allows the calculation of photorealistic images and is used successfully for various applications. But due to the high effort needed for dynamic scenes it is mostly restricted to static applications. However the use of coherences allows to reduce the calculation effort heavily. An introduction is given as well as an overview over existing methods. The last part of the dissertation finally presents an efficient method to obtain Radiosity solutions for video animations,