Global illumination for animated scenes taking advantage of temporal
Simulation globale de l'éclairage pour des séquences animées prenant en en compte la cohérence temporelle
Résumé
In image synthesis, the global illumination family of methods rely on the expression of the energetic equilibrium between objects, and as consequence the precise simulation of subtle lighting effects due to numerous reflections of light, that couldn't be taken into account by local lighting models. Therefore, it seems logical to try to use them for the synthesis of realistic computer animations. In this document, we suggest to replace the computation of the numerous integral equations corresponding to each frame by a single 4-dimensional equation. We propose an extension of the hierarchical radiosity algorithm, in the case where all movement is known a priori, that allows us to benefit from the temporal coherence. The radiosity at each point of the scene, for each date of the animation, is expressed in a hierarchical function basis defined over a mesh produced by an automatic refinement process. The extension of this mesh to a 4-dimensional space allows the computation of light exchanges over a finite time interval instead of a given fixed date. This algorithm allows the simulation of global light exchanges in an animated scene, faster and with a quality similar to frame by frame computations.To this purpose, we present new dedicated refinement oracles. To allow the computation of geometrically complex scenes, we discuss the extension of clustering approaches to the case of animated scenes. We also introduce a method to reduce the temporal discontinuities in the radiosity function based on the use of higher order basis functions (MultiWavelets) in the time dimension. Finally, we present a mechanism to schedule the space-time hierarchical radiosity computations to allow the use of disk caching and reduce the amount of memory required by our algorithm.
Les méthodes globales de simulation de l'éclairage permettent, à la différence des méthodes d'éclairage local, d'exprimer l'équilibre énergétique dans les échanges entre différents objets, et donc de simuler précisément les effets subtils d'éclairage dûs aux nombreuses inter-réflexions. Il est donc naturel de souhaiter les utiliser pour la synthèse réaliste de films d'animation. Plutôt que de résoudre une succession d'équations intégrales tri-dimensionelles, nous modélisons les échanges lumineux ayant lieu au cours de l'animation sous la forme d'une unique équation intégrale quadri-dimensionelle. Dans le cas ou l'intégralité des mouvements est connue à l'avance, nous proposons une extension de l'algorithme de radiosité hiérarchique mettant à profit la cohérence temporelle. La radiosité en chaque point et à chaque instant y est exprimée dans une base de fonctions hiérarchiques définies sur un maillage produit par un processus de raffinement. L'extension de ce maillage à un espace à quatre dimensions nous permet de calculer des échanges lumineux sur un intervalle de temps fini au lieu d'une date donnée. L'algorithme ainsi défini permet la simulation de l'éclairage global diffus dans une scène animée, dans un temps largement inférieur, avec une qualité équivalente. Nous avons développé pour cela de nouveaux oracles de raffinement ad hoc, que nous présentons ici. Afin de permettre le calcul de scènes géométriquement complexes, nous présentons une nouvelle politique de regroupement hiérarchique des objets adaptée au cas quadri-dimensionnel. Nous présentons également un algorithme permettant la réduction des discontinuités temporelles dues aux approximations effectuées lors de la résolution, basé sur l'emploi de bases de multi-ondelettes. Finalement, nous présentons un mécanisme d'ordonnancement des calculs et de sauvegarde temporaire sur une mémoire de masse permettant de réduire la consommation en mémoire vive de l'algorithme.
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