Faster and more robust algorithms for Monte Carlo light transport simulation

Abstract

Im etablierten Forschungsfeld des Renderings stellen die Anspruche an Geschwindigkeit und Korrektheit noch immer Herausforderungen. Abhangig von Materialien und anderen Szeneneigenschaften sind die Ergebnisse moderner Monte Carlo Simulationsverfahren verrauscht oder gar nicht in der Lage bestimmte Lichteffekte zu reproduzieren. Daher hangen sowohl die Korrektheit als auch die Geschwindigkeit von der Verbesserung der Sampling- Algorithmen ab. In dieser Dissertation schlage ich mehrere Modifikationen vor, welche die Zuverlassigkeit solcher Simulationsmethoden in schwierigen Situationen erhohen. Das erste Problem, fur welches ich Losungen prasentiere, ist die verbesserte Kombination mehrerer Sampling-Techniken bei Verwendung von Photon Mapping. Aktuelle Algorithmen uberschatzen die Wichtigkeit bei der Wiederverwendung von Photonen, was in einer erhohten Varianz resultiert. Ein anderes offenes Problem ist das Rendering von Kaustiken in bestimmten Szenen oder unter Verwendung ausgesuchter Sampling-Techniken. Hierfur prasentiere ich zwei Ansatze, die die Varianz in den entsprechenden Situationen reduzieren konnen. Der erste ist eine lokale Anpassung von Materialien mit dem Ziel generell weniger Varianz bei beliebigen Samplern zu erzwingen. Dies fuhrt zu einer fehlerhaften Weichzeichnung von Glanzeffekten, was wiederum durch den Einsatz von adaptiven Heuristiken verringert werden kann. Der zweite Ansatz zeigt eine neue Sampling-Technik, welche die Verbindung zu einer Lichtquelle ausnutzt um den Transport von Photonen in die sichtbaren Regionen zu lenken. Dies verbessert das Sampling von Kaustiken von weit entfernten Lichtquellen erheblich. Des weiteren habe ich zur Umsetzung der genannten Verbesserungen mehrere Datenstrukturen entwickelt, welche auch in anderen Anwendungen Verwendung finden konnten. Zwei der Datenstrukturen – ein Hash-Gitter und ein Octree – sind darauf spezialisiert die Dichte von Partikeln an beliebigen Punkten abzuschatzen. Beide sind fur den Einsatz in hoch parallelen Architekturen entworfen. Zur alternativen Schatzung von Dichten habe ich mich in dieser Dissertation auserdem mit der Abschatzung von Sampledichten aus dem Pfad selbst (Footprints) auseinander gesetzt.%%%%While rendering is a well established research topic, the demands for correct and fast light transport simulations still pose open challenges. Dependent on material and scene configurations, the results of modern Monte Carlo methods can be quite noisy and even missimportant effects. Therefore, both the correctness and the speed depend on the improvement of sampling algorithms. In this thesis I propose several modifications which improve the reliability of transport methods for diffcult situations. The first problem solved is the improved weighting when combining multiple samplers. Current algorithms, based on photon mapping, tend to overestimate the importance of single techniques if parts of the results are reused for different transport paths. Another open problem is the rendering of caustic effects dependent on the scene and the…