Visualisierung: Neues Berechnungsverfahren für Beleuchtung

In Filmen, Videospielen, VR-Umgebungen oder Architekturvisualisierungen vermittelt vor allem die Beleuchtung eine genaue Darstellung der physischen Welt. Die Lichtwirkung so zu berechnen, dass sie realistisch erscheint, erweist sich immer noch als komplex und wenig effizient. Denn es gibt viele Pfade, die das Licht einschlagen kann.

Informatiker an der Aalto-Universität in Otaniemi, Finnland, mit Expertise in der Entwicklung von Videospielen und von Algorithmen für die Lichtsimulation, haben ein neues Berechnungsverfahren entwickelt, um diese Aufgabe zu bewältigen. Dieses Verfahren, entwickelt von Ari Silvennoinen, Doktorand, und Jaakko Lehtinen, Professor für Informatik, ermöglicht die Lichtsimulation in Echtzeit und soll damit deutlich schneller und genauer als die bereits bestehenden Verfahren sein. Die Forscher haben sich auf die realistische indirekte Beleuchtung aus dynamischen Lichtquellen beschränkt, die größtenteils statische Szenerien ausleuchten, und die Genauigkeit ihrer Rechenmethode in mehrere Szenen mit komplexen Licht-Schatten-Mustern zeigen können.

Silvennoinen und Lehtinen, die bei Remedy Entertainment und Nvidia als Wissenschaftler tätig sind, haben die Ergebnisse ihrer Arbeit an der SIGGRAPH Asia 2017 vom 27. bis 30. November in Bangkok vorgestellt. Die globale Beleuchtung in Echtzeit berge große Herausforderung für die Computergrafik, erklärt Silvennoinen. Der Grund dafür sei, dass zwei beliebige Punkte in einer Szene interagieren könnten, indem sie am Lichttransport von einem zum anderen teilhaben. Die Anzahl dieser Interaktionen wachse sehr schnelle. Selbst mit nur 1‘000 Punkten komme man auf 1‘000‘000 mögliche Interaktionen.

Das neue Verfahren kann die indirekte Beleuchtung genau berechnen. Sie nutzt dafür Informationen lediglich aus einem sehr kleinen Satz von Strahlungsproben, Mustern, welche die Beleuchtung einer Szene an einem einzelnen Punkt einfangen. Das ermöglicht Echtzeitberechnungen in 3D-Szenen mit einer Videospielen vergleichbaren Komplexität.

Besonders indirekte Schatten lassen sich mit der Methode gut darstellen. Man habe sich sehr genau mit der Sichtbarkeit zwischen Sendern und Empfängern beschäftigt. „Unser Verfahren macht die hochwertige indirekte Beleuchtung, den Heiligen Gral in der Echtzeit-Computergrafik, praktisch umsetzbar.“

Die Wissenschaftler haben ihr Verfahren an Architekturdarstellungen demonstriert und konnten dabei genau herausarbeiten, wie das Licht durch das Fenster in ein Wohnzimmer fällt oder sich einen Weg durch schattige Säulen an einem spärlich beleuchteten Ort bahnt.

Neben der direkten Anwendung für die Spielegrafik können sich die Entwickler vorstellen, dass Architekten und ihre Kunden mit dem neuen Verfahren visualisieren könnten, wie ein Entwurf mit dynamischer Beleuchtung funktioniert. Lichtdesigner könnten in Zukunft davon profitieren, dass, wenn sie virtuelle Lichtquellen platzieren, sofort ein Feedback zur Wirkung erhalten, etwa in VR- oder AR-Umgebungen.

Literatur: Ari Silvennoinen and Jaakko Lehtinen. 
Real-time Global Illumination by Precomputed Local Reconstruction from Sparse Radiance Probes. 
ACM Transaction on Graphics 36(6), (SIGGRAPH Asia 2017)

Bild: Echtzeit-Rendering eines Bauwerks, beleuchtet durch natürliches Licht mit einem neuen, an der SIGGRAPH ASIA vorgestellten Berechnungsverfahren.  CREDIT: Ari Silvennoinen (scene courtesy of Remedy Entertainment)