Fysikaalinen valaistus ja reaaliaikaiset heijastukset

Abstract

Epäsuora valaistus, kuten ympäristön heijastukset, ovat tärkeä osa uskottavaa tietokonegrafiikkaa. Tarvitaan kuitenkin fysikaalinen valaistusmalli, jotta epäsuoran valon vaikutus olisi realistinen. Vasta viime aikojen näytönohjainten tehokkuuden kasvu on mahdollistanut fysikaalisen epäsuoran valaistuksen mallintamisen reaaliajassa. Koska epäsuoran valaistuksen laskeminen on erittäin raskasta, joudutaan kuitenkin tekemään arviointia, jotta reaaliaikainen toteutus olisi mahdollista. Tässä tutkielmassa esitellään fysikaalisen valaistuksen perustaa ja annetaan esimerkkejä reaaliaikaisista heijastusmenetelmistä. Lopuksi evaluoidaan kahta heijastustekniikkaa, ympäristötutkaimia ja kuvapuskuriheijastuksia, fysikaalisen valaistuksen näkökulmasta. Evaluointi tapahtuu toteuttamalla tekniikat ja arvioimalla saatua lopputulosta uskottavuuden, toimivuuden ja suorituskyvyn kannalta. Huomattiin, että usean tekniikan yhdisteleminen on tarpeen, sillä eri tekniikat soveltuvat vain tietynlaisiin heijastuksiin. Lisäksi tekniikoissa on useita ongelmakohtia, jotka rajoittavat niiden käytettävyyttä.

Indirect lighting, like reflections of the environment, have an important role in believable computer graphics. To make the indirect lighting realistic, a physically based lighting model is needed. Only as of lately, the modeling of physically based indirect lighting in real-time has been possible, due to the recent increase of GPU-power. As calculating the indirect lighting is expensive, approximation of the phenomenon is still needed to make real-time implementation possible. In this thesis we introduce the basis of physically based lighting and give examples of real-time reflection methods. Finally two reflection techniques, environment probes and screen space reflections, are evaluated from the physically based lighting point of view. The evaluation is carried out by implementing these techniques and assessing their plausibility and performance. It was discovered that combining several techniques is necessary, as each technique can only produce some particular kind of reflections. In addition it was found that the techniques have several problematic situations, which limit their usability.