Raytracing mit Distance Fields

Fakten
Typ	Wissenschaftliche Ausarbeitung Masterthesis (Beuth-Hochschule für Technik Berlin)
Plattform	Schriftliche Ausarbeitung Prototype (Window, Linux, Mac)
Entwickler	Benjamin Granzow
Status	Abgeschlossen
Technologien	Raymarching OpenGL Code-Generierung Newtonsches Näherungsverfahren Implizite Objektbeschreibungen Constructive Solid Geometry – Modelierung Marching-Cubes/Tetrahedron

Konzept

In den letzten Jahren sind Distance Fields schon von Unternehmen im Bereich der Unterhaltungsindustrie verwendet worden. Dabei wird diese Geometrierepräsentation für die beschleunigte Berechnung von Schatteneffekten oder zur Erzeugung von variierenden Detailgeometrien verwendet. In dieser Ausarbeitung wird auf die Erstellung von qualitativ hochwertigen und robusten Distance Fields mittels Distance Functions eingegangen, wozu ein Distance Function-Katalog mit Operationen- und Geometriedefinitionen zusammengestellt wurde. Des Weiteren beinhaltet sie eine Zusammenfassung von grundlegenden Techniken für die Berechnung von Bildern aus Distance Fields. Diese beruhen auf dem Konzept der Schnittpunktberechnung mittels Raymarching-Algorithmen, für welche eine weitere Beschleunigungserweiterung (Restart-Over-Relaxation Sphere Tracing) vorgestellt wird. Zur Beschleunigung der Beleuchtungsberechnung werden Approximationen für aufwändige Beleuchtungseffekte (Weiche Schatten, Ambient Occlusion und Subsurface-Scattering) vorgestellt, die auf der Grundlage der in den Distance Fields enthaltenen Distanzwerten arbeiten.

Zur Evaluierung dieser Techniken und der Distance Function-Erstellung, wurden Prototypen eines Distance Field-Editors und Raytracers umgesetzt. Diese Evaluation hat ergeben, dass die Erstellung von Distance Functions nicht intuitiv möglich ist und erweiterte mathematische Kenntnisse voraussetzt. Dennoch haben diese durch die Mächtigkeit der prozeduralen Beschreibung und ihres geringen Speicherplatzbedarfs ein hohes Potenzial gezeigt. Durch die im Distance Field-Raytracer umgesetzten Techniken, konnten optisch verwendbare Resultate erzielt werden, welche die geringen Laufzeiten für die Approximationen der Beleuchtungseffekte bestätigten. Allerdings bieten diese Approximationen keine realistischen Ergebnisse, wodurch sich diese nur bedingt als brauchbar erwiesen haben.

Rendering Ergebnisse

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  Einfache Szene

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  Teapot

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  Cornell-Box

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  Fraktal

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  Interaktiver Distance Field - Editor

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  Fächerpalme

Downloads
[pdf] 8 MB	Masterthesis: Raytracing mit Distance Fields
[pdf] 1.17 MB	Design Guide: Erstellung von Geometrien mit Distance Functions
[mp4] 13 MB	Animation mit Level-of-Detail
[mp4] 5.15 MB	Texturen und Animation

Danksagung
Prof. Dr. Henrik Tramberend	Betreuung der Abschlussarbeit
Dr. Alexander Keller	Betreuung bei NVIDIA ARC