In Filmen, Videospielen, Virtual-Reality-Umgebungen und anderen Computergrafik-Arenen ist das Lighting der Schlüssel zu genauen Darstellungen unserer physischen Welt. Die Berechnung einer real aussehenden Beleuchtung bleibt komplex und ineffizient, da die notwendige Berücksichtigung aller möglichen Wege, die Licht einnehmen kann, für jedes Pixel in Echtzeit zu kostspielig bleibt.

Berechnungsverfahren für das Lighting

Informatiker der Aalto Universität in Otaniemi, Finnland, mit Expertise in der Entwicklung von Videospielen und Beleuchtungssimulationsalgorithmen, haben eine neue Berechnungsmethode entwickelt, um dieser zentralen Herausforderung zu begegnen. Das von Ari Silvennoinen, einem Doktoranden in Informatik, und Professor Jaako Lehtinen entwickelte Verfahren ermöglicht Echtzeit-Beleuchtungssimulationen, die viel schneller und genauer sind als bestehende Verfahren. Sie konzentrieren sich auf die Berechnung realistischer indirekter Beleuchtung von dynamischen Lichtquellen in meist statischen Szenen und zeigen die Genauigkeit ihres Algorithmus in mehreren Szenen, in denen die Beleuchtung in der Umgebung aus komplizierten Licht- und Schattenmustern besteht.

Silvennoinen und Lehtinen, die beide auch Forscher bei Remedy bzw. Nvidia sind, werden ihre Forschungsarbeiten auf der SIGGRAPH Asia 2017 vom 27. November bis 30. November in Bangkok vorstellen. Die jährliche Konferenz und Ausstellung präsentiert die weltweit führenden Fachleute, Wissenschaftler und kreativen Köpfe an der Spitze der Computergrafik und interaktiven Techniken.

„Die dynamische Global Illumination in Echtzeit bleibt eine große Herausforderung in diesem Bereich. Die Herausforderung besteht darin, dass bei einer Szene zwei beliebige Punkte in der Szene in Wechselwirkung stehen können, indem sie am leichten Transport voneinander teilnehmen“, erklärt Silvennoinen. „Die Anzahl dieser Wechselwirkungen nimmt sehr schnell zu. Zum Beispiel haben wir mit nur 1.000 Punkten potenziell 1.000.000.000 Interaktionen.“

Der wichtigste neuartige Beitrag ist ein Verfahren, das die indirekte Beleuchtung unter Verwendung von Informationen nur aus einem sehr spärlichen Satz von „Radiance Sonbes“-Proben, die die Szenenbeleuchtung an einem einzigen Punkt erfassen – genau berechnet und so den Echtzeitbetrieb in komplexen 3D-Szenen auf Augenhöhe mit modernen Spielen ermöglicht.

„Die Qualität der Ergebnisse, insbesondere der indirekten Schatten, ist sehr hoch, da wir mit der Sichtbarkeit zwischen Sendern und Empfängern genau umgehen“, sagt Silvennoinen. „Unsere Methode generiert hochwertige indirekte Beleuchtung und macht diese praktisch nutzbar.“

In der Studie demonstrieren die Forscher ihre Methode an architektonischen Illustrationen und zeigen genau, wie sich beispielsweise Licht durch ein Fenster im Laufe der Zeit durch ein Wohnzimmer bewegt oder durch schattige Säulen eines schwach beleuchteten Palastes geht.

Neben der direkten Anwendung auf Spielgrafiken stellen sich die Forscher diese Methode vor, damit Architekten und ihre Kunden sehen können, wie ihr Design mit dynamischer Beleuchtung funktioniert. Auch zukünftige Arbeiten könnten es Lichtplanern ermöglichen, sofort Feedback zu erhalten, während sie virtuelle Lichtquellen in rechnerisch eingeschränkten Umgebungen wie Virtual oder Augmented Reality platzieren.

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