title: Kompression, Modellierung und Echtzeit-Rendering von realistischen Material und Objekten
title: Compression, Modeling, and Real-Time Rendering of Realistic Materials and Objects
Creators: name: Menzel, Nicolas
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: CUDA
Computer Graphics
Bildbasiertes Rendering
Echtzeit-Rendering
Realistische Materialien
Realistic Materials
Computergraphik
Rendering
Informatik
Real-Time Rendering
Bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion

description: The realism of a scene basically
      depends on the quality of the geometry, the illumination and
      the materials that are used. Whereas many sources for the
      creation of three-dimensional geometry exist and numerous
      algorithms for the approximation of global illumination were
      presented, the acquisition and rendering of realistic
      materials remains a challenging problem. Realistic materials
      are very important in computer graphics, because they
      describe the reflectance properties of surfaces, which are
      based on the interaction of light and matter. In the real
      world, an enormous diversity of materials can be found,
      comprising very different properties. One important objective
      in computer graphics is to understand these processes, to
      formalize them and to finally simulate them. For this purpose
      various analytical models do already exist, but their
      parameterization remains difficult as the number of
      parameters is usually very high. Also, they fail for very
      complex materials that occur in the real world. Measured
      materials, on the other hand, are prone to long acquisition
      time and to huge input data size. Although very efficient
      statistical compression algorithms were presented, most of
      them do not allow for editability, such as altering the
      diffuse color or mesostructure. In this thesis, a material
      representation is introduced that makes it possible to edit
      these features. This makes it possible to re-use the
      acquisition results in order to easily and quickly create
      deviations of the original material. These deviations may be
      subtle, but also substantial, allowing for a wide spectrum of
      material appearances. The approach presented in this thesis
      is not based on compression, but on a decomposition of the
      surface into several materials with different reflection
      properties. Based on a microfacette model, the light-matter
      interaction is represented by a function that can be stored
      in an ordinary two-dimensional texture. Additionally, depth
      information, local rotations, and the diffuse color are
      stored in these textures. As a result of the decomposition,
      some of the original information is inevitably lost,
      therefore an algorithm for the efficient simulation of
      subsurface scattering is presented as well. Another
      contribution of this work is a novel perception-based
      simplification metric that includes the material of an
      object. This metric comprises features of the human visual
      system, for example trichromatic color perception or reduced
      resolution. The proposed metric allows for a more aggressive
      simplification in regions where geometric metrics do not
      simplify
description: Der Realismus einer Szene basiert
      im Wesentlichen auf der Qualität der Modelle, der Beleuchtung
      und der verwendeten Materialien. Mittlerweile existieren
      zahlreiche Methoden für die Erstellung und Messung
      dreidimensionaler Modelle. Ebenso gibt es sehr effiziente
      Algorithmen für die Approximation von globaler Beleuchtung.
      Die Messung und Darstellung realistischer Materialien bleibt
      jedoch ein schwieriges Problem, für das bis heute keine
      einheitliche Lösung existiert. Materialien sind für die
      Computergrafik unentbehrlich, denn sie beschreiben das
      Reflektanzverhalten von Oberflächen. Dieses Verhalten wird
      durch die Interaktion von Licht und Materie bestimmt. In der
      realen Welt existiert eine enorme Vielfalt von Materialien
      mit den verschiedensten Eigenschaften. Das Ziel der
      Computergrafik ist es, diese in all ihrer Vielfalt zu
      erfassen, zu formalisieren und zu simulieren. Zu diesem Zweck
      existieren bereits analytische Repräsentationen, die auf der
      Verteilung von sogenannten Mikrofacetten beruhen. Diese sind
      jedoch aufgrund der hohen Zahl der Koeffizienten nur schwer
      zu parametrisieren. Eine alternative Vorgehensweise ist die
      Messung von Materialien durch herkömmliche Fotografien. Der
      Nachteil hierbei besteht jedoch im hohen technischen Aufwand
      zur Aufnahme und den großen resultierenden Datenmengen. Zwar
      existieren Kompressionsalgorithmen auf Basis statistischer
      Verfahren, diese erlauben jedoch keine nachträglichen
      Änderungen, beispielsweise der Farbe oder der
      Oberflächenstruktur. Kern dieser Arbeit ist eine
      Materialrepräsentation, welche gemessene Materialien
      einerseits komprimiert, andererseits aber auch nachträgliche
      Änderungen von bestimmten Eigenschaften erlaubt. Dieser
      Ansatz basiert nicht ausschließlich auf Kompression, sondern
      auf einer Zerlegung der Oberfläche in mehrere Klassen von
      Materialien. Jede Klasse besitzt dabei unterschiedliche
      Eigenschaften. Auf dem Microfacetten- Modell beruhend, wird
      das Reflektanzverhalten dabei durch eine Funktion
      dargestellt, welche als herkömmliche zweidimensionale Textur
      gespeichert werden kann. Neben Tiefeninformationen werden
      zusätzlich die lokalen Rotationsparameter und die diffuse
      Farbe gespeichert. Da durch diese Zerlegung auch
      Informationen verloren gehen, werden im weiteren Verlauf der
      Arbeit Ansätze vorgestellt, diese verloren gegangenen
      Informationen nachträglich wieder analytisch hinzuzufügen.
      Ein weiterer Beitrag dieser Arbeit ist eine
      wahrnehmungsbasierte Metrik zur Simplifizierung von
      Dreiecksnetzen. Das Neuartige an dieser Metrik ist, dass sie
      das Material des Dreiecksnetzes berücksichtigt. Dies ist
      dadurch möglich, dass die Eigenschaften des menschlichen
      Sehsystems, beispielsweise die reduzierte Farbwahrnehmung
      oder räumliche Auflösung, mit einbezogen werden. Die
      vorgestellte Metrik erlaubt eine aggressivere Vereinfachung
      der Geometrie in Bereichen, in denen existierende
      geometrische Metriken zu schwach vereinfachen.