Mit ihrer neuen Methode können Informatiker der Saar-Uni erstmals alle Beleuchtungseffekte auf einfachere und schnellere Weise berechnen.
AG Slusallek/Saar-Uni
Automobildesigner wollen Prototypen möglichst realistisch am Bildschirm konstruieren. Es gilt die Lichtverhältnisse für ein per Computer generiertes Bild möglichst realitätsgetreu darzustellen. Ein neuer mathematischer Ansatz von Informatikern der Universität des Saarlandes soll dabei helfen.
Ziel in der Automobilindustrie ist das möglichst realistische Design virtueller Prototypen am Bildschirm. Spezielle Rechenverfahren sollen dies sicherstellen, erfordern jedoch einen hohen Aufwand. Saarbrücker Informatiker haben dazu nun einen neuen Ansatz entwickelt und Photon-Mapping mathematisch als einen Monte-Carlo-Prozess formuliert. So konnte es direkt in das Monte-Carlo-Path-Tracing-Verfahren integriert werden.
Bei der Produktion von computergenerierten Filmen beispielsweise ist es wichtig, die Beleuchtung in einem Raum realistisch darzustellen, erläutern die Experten der Universität des Saarlandes. Funktioniere dies nicht, sei der Eindruck einer dreidimensionalen Anmutung schnell zerstört. Doch nicht nur die Filmbranche, auch die Autoindustrie investiert viel, um Lichtverhältnisse für ein per Computer generiertes Bild möglichst realitätsgetreu darzustellen. Komplette Rechenzentren werden genutzt, um realistische Bilder der hochkomplexen Automodelle schon im Entstehungsprozess in Echtzeit berechnen und darstellen zu können, wird weiter berichtet. Nur so könnten die Verantwortlichen das Design und andere Produkteigenschaften frühzeitig bewerten und noch während der Planung optimieren. "Es werden ja kaum noch reale Prototypen angefertigt. Daher wollen die Designer sicher sein, dass die Karosserie auf dem Bildschirm genauso aussieht wie später am realen Wagen", erklärt Dr. Philipp Slusallek, Professor für Computergrafik an der Universität des Saarlandes. Er ist auch wissenschaftlicher Direktor am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) und am Intel Visual Computing Institute der Saar-Uni.
Bisherige Rechenverfahren konnten jedoch nicht alle Beleuchtungseffekte effizient berechnen, betonen die Informatiker. Das sogenannte "Monte-Carlo-Path-Tracing-Verfahren" beispielsweise konnte, wie die Experten erläutern, sehr gut für den direkten Lichteinfall und die indirekte Beleuchtung durch Lichtreflexion an den Oberflächen in einem Raum eingesetzt werden. Es habe jedoch bei der Beleuchtung rund um transparente Gegenstände wie beispielsweise den halbtransparenten Schatten von gläsernen Gegenständen oder der Beleuchtung über spiegelnden Oberflächen (sogenannte Kaustiken) versagt. Aber genau dies war die Stärke des sogenannten Photon-Mapping, erklären die Forscher weiter, das aber wiederum bei der direkten Beleuchtung von Oberflächen enttäuschte. Da jedoch beide Verfahren mathematisch inkompatibel waren (Monte-Carlo-Integration gegenüber Dichteschätzverfahren), habe man sie nicht zusammenführen können und sie unabhängig voneinander für das jeweilige Bild berechnen müssen.
Neuer mathematische Ansatz kombiniert Verfahren
Zusammen mit Iliyan Georgiev, Doktorand an der Saarbrücker Graduate School of Computer Science, Jaroslav Krivanek von der Karls-Universität in Prag und Thomas Davidovic vom Intel Visual Computing Institute hat Professor Slusallek einen mathematischen Ansatz entwickelt, der beide Verfahren auf geschickte Art miteinander kombiniert. Die Forscher formulierten Photon-Mapping mathematisch als einen Monte-Carlo-Prozess und konnten es damit direkt in das Monte-Carlo Path-Tracing-Verfahren integrieren. Pro Pixel eines Bildes entscheidet das neue Verfahren jetzt automatisch (über sogenanntes Multiple-Importance-Sampling), welche der beiden Strategien am besten geeignet ist, die Beleuchtung an dieser Stelle zu berechnen. Slusallek und seine Kollegen wiesen zudem nach, dass das neue Rechenverfahren das korrekte Ergebnis liefert und dieses viel schneller berechnen kann. Das auf den Namen "Vertex Connection and Merging" getaufte und mit VCM abgekürzte Verfahren wurde 2012 beispielsweise auf der für Computergrafik international wichtigsten Konferenz, der "Siggraph" anerkannt.
In ihrer neuesten Publikation, die ebenfalls von der gerade im kanadischen Vancouver stattfindenden Konferenz "Siggraph" akzeptiert wurde, zeigt die Forschergruppe um Philipp Slusallek, dass sich das neue VCM-Verfahren sehr effizient auf hoch-parallelen Grafikprozessoren implementieren lässt. Diese Forschungsarbeiten wurden unter anderem durch den US-amerikanischen Halbleiterkonzern Intel finanziert, auf deren Siggraph-Stand sie jetzt auch erstmals der Öffentlichkeit präsentiert werden.