Estudio y desarrollo de técnicas interactivas de iluminación global

Resumen

En esta memoria de tesis se describe el estudio, diseño e implementación de algoritmos para Iluminación Global interactiva en escenas de complejidad media-alta, Actualmente se considera que los basados en métodos estocásticos tienen mejor rendimiento que los de elementos finitos. Dentro de los métodos de Monte Carlo, una parte de ellos se basan en la emulación del historial de un conjunto amplio de fotones (idealizados como partículas puntuales), seguido de una estimación de densidades de impactos de estos en las superficies. La estimación de densidades puede hacerse de varias formas, las más elemental (y la primera descrita en Informática Gráfica) es la Cuenta de Impactos; otros, más avanzados, son la Estimación de Densidades, el anteriormente mencionado Photon Maps y Estimación de Densidades en el Plano Tangente (DETP). El consenso es que los basados en derivados de Photon Maps son los que más rendimiento obtienen. Estos métodos están pensados para escenas estáticas y tienen unos tiempos de cálculo excesivamente altos al aplicarlos a interactividad. Hemos observado que la mayoría de las escenas de complejidad alta, consisten en un escenario estático y un conjunto de objetos relativamente pequeños y dinámicos. Esto hace que la mayoría de la iluminación sea muy similar a la de fotogramas anteriores. Reutilizar la iluminación que sigue siendo válida y recalcular los fotones que hayan sido afectados por los objetos dinámicos es una posibilidad. En la bibliografía se encuentran algunos trabajos en esta línea, por ejemplo, Selective Photon Tracing de Dmitriev, que se basa en Photon Maps, guarda la edad de los fotones y elimina los fotones más antiguos conforme tira nuevos fotones para actualizar la iluminación. Sin embargo, al no controlar si los fotones antiguos siguen siendo válidos, elimina información todavía válida. Pretendemos obtener un algoritmo de cálculo interactivo de la iluminación resolviendo las limitaciones de las técnicas anteriores. Se estudiaron los métodos de Cuenta de Impactos, Photon Maps y DETP y se observó que el método de DETP era el que menor tiempo requería para un valor de error dado. Por ello se utilizó este algoritmo como base de nuestro trabajo. Utilizando el hecho de que la mayoría de la iluminación puede reutilizarse, se realizó un algoritmo que sigue el espíritu de Dmitriev, pero que sigue usando los fotones mientras sean válidos, por muy antiguos que sean. Además, al utilizar métodos de estimación de densidades más avanzados, mejoramos aun más la eficiencia. Entre otras posibilidades, para incrementar el rendimiento se puede hacer uso de hardware avanzado. En esta linea hemos llevado a cabo implementaciones usando juegos de instrucciones SIMD y hardware gráfico de altas prestaciones. Aparte de esto, hemos estudiado de forma teórica la eficiencia del algoritmo de DETP para encontrar sus limitaciones y diseñar nuevos algoritmos que obtienen tiempos aún menores, no solo para determinadas escenas, sino con mejora de eficiencia probada matemáticamente.