Σε πολλές εφαρμογές, ο χρήστης αλληλεπιδρά σε ένα τρισδιάστατο εικονικό κόσμο με προσομοιωμένο σύμφωνα με τους νόμους της φυσικής φωτισμό. Προκειμένου να βελτιωθεί η εμπειρία του χρήστη, η υπάρχουσα έρευνα στην περιοχή των γραφικών βρίσκεται σε μία συνεχή διαδικασία εμπλουτισμού των κόσμων αυτών με ρεαλιστική απεικόνιση της αλληλεπίδρασης του φωτός με τα αντικείμενα. Η διαμάχη μεταξύ ακρίβειας και ταχύτητας εκτέλεσης είναι πάντα παρούσα, ειδικά στις περιπτώσεις που θέλουμε να απεικονίσουμε δυναμικές επιφάνειες 25 φορές το δευτερόλεπτο.
Σε αυτήν την εργασία, αναλύουμε τα φυσικά φαινόμενα φωτισμού και σκίασης που παρατηρούνται στο προσομοιωμένο ανθρώπινο δέρμα ενός εικονικού χαρακτήρα σε ένα τρισδιάστατο χώρο φωτιζόμενο τόσο με σημειακά φώτα όσο και φώτα χώρου. Μερικά από αυτά τα φαινόμενα που το σύστημά μας υλοποιεί περιλαμβάνουν: Ambient Occlusion, Shadow Mapping, Image-Based Lighting, Specular Surface Reflectance, Subsurface Scattering και Environment Mapping. Υπάρχουν συστήματα που υποστηρίζουν συνδυασμό ενός η περισσοτέρων από αυτά, αλλά μόνο σε απομονωμένα τμήματα του εικονικούχαρακτήρα (π.χ. ανθρώπινο κεφάλι) σε μη-ιεραρχικές και στατικές επιφάνειες. Το πρόβλημα που καλούμαστε να λύσουμε είναι όχι μόνο η εκτέλεση των φαινομένων αυτών φωτισμού σε ένα παραμορφώσιμο, κινούμενο, αρθρωτό ανθρώπινο σώμα βασισμένο σε σκελετό, αλλά επίσης να κάνουμε τις σωστές προσεγγίσεις ώστε να πετύχουμε υψηλή ακρίβεια μαζί με πραγματικό χρόνο εκτέλεσης σε μοντέρνες εύκολα προσβάσιμες κάρτες γραφικών.
Έχουμε δημιουργήσει έτσι ένα ολοκληρωμένο σύστημα απεικόνισης αρθρωτών εικονικών χαρακτήρων με υψηλή ακρίβεια, πιστότητα και ικανό να προσεγγίσει τον φυσικό τρόπο φωτισμού σε πραγματικό χρόνο. Περιλαμβάνει μία σειρά από φαινόμενα, τα οποία μπορούν να εφαρμοστούν σε έναν εικονικό ανθρώπινο μοντέλο είτε ταυτόχρονα είτε ξεχωριστά. Η ένωση αυτών υλοποιήθηκε σε Χώρο Εικόνας (Screen Space) (σε αντίθεση με το χώρο αντικειμένου), επιτυγχάνοντας έτσι επεκτασιμότητα και αποτελεσματική εκτέλεση σε πραγματικό χρόνο. Πολλαπλά στάδια απεικόνισης δημιουργούνται και διαχειρίζονται εντός του συστήματός μας. Η παραγόμενη εικόνα του κάθε σταδίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως είσοδος σε κάποιο επακόλουθο στάδιο, σιγουρεύοντας έτσι γρήγορη και αποτελεσματική επαναχρησιμοποίηση σε κοινά δεδομένα των διαφορετικών φαινομένων. Για παράδειγμα, το φαινόμενα διασποράς υποεπιφάνειας (subsurface scattering), που είναι εκτελέσιμο σε πραγματικό χρόνο, επιτυγχάνεται με τη χρήση μόνο δύο σταδίων απεικόνισης, εφαρμόζοντας οριζόντια και κάθετη συνέλιξη με τη χρήση μιας ενδιάμεσης εικόνας ως έξοδο από το πρώτο στάδιο και είσοδο στο δεύτερο. Η υλοποίηση όλου του συστήματός μας είναι βασισμένη σε ευρέως διαθέσιμα πρότυπα και ανοιχτό λογισμικό, όπως OpenGL, C++ και GLSL, έτσι ώστε να μπορεί να ενσωματωθεί σε μοντέρνες μηχανές γραφικών και γράφους σκηνής με τη χρήση εύκολα προσβάσιμων καρτών γραφικών.
(EL)
In many applications, user interacts in a 3D virtual world rendered with physically-based light. In order to enhance user's experience, the graphics community is continuously working on enriching these worlds with realistic depiction of light interaction with objects. The controversy between accuracy and rendering speed is always constant, especially for dynamic surfaces in order to achieve at least 25 frames per second.
In this thesis, we analyze the physically-principled lighting and shading effects that occur on human skin in an area and point light illuminated 3D space. Some of these effects are the following: Ambient Occlusion, Shadow Mapping, Image-Based Lighting, Specular Surface Reflectance, Subsurface Scattering and Environment Mapping. There are systems that support a combination of them, but only in isolated character parts (e.g. human head) in non-hierarchical and non-animated surfaces. The problems that we are tackling are not only limited on how to apply these effects on a fully, skeleton-based, deformable and animated virtual character, but also on how to calculate the most robust physically-based approximations (hence physically-principled) in order to achieve high visual accuracy along with efficient real-time execution in modern commodity graphics h/w.
We have thus created a high-fidelity, physically-principled real-time rendering framework for articulated characters. It features a series of effects that can be applied on the human model either simultaneously or separated. The unification was implemented in screen space (as opposed to standard object-space methods), achieving that way both scalability and efficient real-time execution. Multiple rendering fragment shader passes are created and handled within our system. The output image rendered by any pass can be used as input to the subsequent pass that follows ensuring fast and efficient reusability between the common and essential data for the different effects. For instance, our real-time subsurface scattering method is achieved in just two rendering passes, applying horizontal and vertical convolutions using an intermediate texture as output to the first pass and input to the next. The implementation of our rendering framework is based on widely available open-source tools and techniques such as OpenGL, C++ and GLSL so that it can be easily integrated in modern rendering engines and scene graphs via commodity graphics h/w.
(EN)
