自然物の物理シミュレーションおよび大域照明を考慮した写実的レンダリング

考虑到自然物体的物理模拟和全局照明的真实感渲染

基本信息

批准号：
08J07968
负责人：
楽詠コウ
金额：
$ 0.77万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2008
资助国家：
日本
起止时间：
2008 至 2009
项目状态：
已结题

项目摘要

昨年度中は、主として二つのテーマに取り組んだ。一つは、降雨を伴う雲のビジュアルシミュレーションであり、もう一つは、関与媒質の写実的なレンダリングである。これらについて、順次説明する。屋外シーンの写実的な表現では、時刻や気象条件に伴って変化する空のアニメーションが重要である。こうした変化に富む空を表現には、前線などにおける雨雲の形成及び降雨に伴う雲のシミュレーションが重要である。CG分野の従来研究では、雨雲形成や降雨を考慮していないので、我々は降雨までシミュレーションできる物理モデルを、気象学や雲物理の分野から導入することを試みた。雲微物理に基づいて雲を構成する水滴粒子の変化を追跡することにより、空間中の水滴の個数や半径の分布を求めることができる。これによって、前線断面における雲の生成過程及び降雨を模擬することができた。次に得られた水滴分布をもとに写実的な可視化を行うため、我々はモンテカルロ法に基づいて、光の多重散乱を考慮したレンダリングを試みた。しかし、従来の計算手法では、空のように規模が大きく、また大気と雲のように媒質の密度が大きく異なるシーンをレンダリングする場合、計算に要する時間が実用的でない。これに対して、我々はWoodcock trackingと呼ばれる手法を拡張して、300倍以上の高速化を達成した。我々の手法では、空間を媒質の分布に応じて自動的にアダプティブに分割し、媒質の密度分布に応じてサンプリングの密度を適応させることで高速化を図る。なお、我々のサンプリング法は統計的に不偏であることが証明できる。我々の手法によって、空のような大規模なシーンの写実的なレンダリングでも、単一のデスクトップPCを用いて一時間程度で計算できるようになった。さらに空のレンダリングに限らず、雲や炎のような一般的な関与媒質のレンダリングにも適用でき、いずれの場合も従来法より高速にレンダリングできる。

去年我们主要做了两个主题。一个是云与降水的视觉模拟，另一个是所涉及媒体的真实感渲染。这些将一一解释。天空的动画随着一天中的时间和天气条件而变化，对于户外场景的真实表达非常重要。为了表现如此多变的天空，模拟锋面和其他区域的雨云以及与降雨相关的云的形成非常重要。由于CG领域的传统研究没有考虑雨云的形成或降雨，因此我们尝试引入气象学和云物理领域的物理模型来模拟降雨。通过基于云微物理跟踪构成云的水滴粒子的变化，可以确定空间中水滴的数量和半径分布。这使得模拟前段的云形成过程和降雨成为可能。接下来，为了根据获得的水滴分布进行真实的可视化，我们尝试基于蒙特卡罗方法考虑光的多重散射的渲染。然而，使用传统的计算方法，当渲染像天空这样大的场景，或者介质密度差异很大的场景（例如大气和云）时，计算所需的时间是不切实际的。为此，我们扩展了一种名为 Woodcock 跟踪的技术，并实现了 300 多倍的加速。在我们的方法中，我们的目标是通过根据介质的分布自动自适应地划分空间并根据介质的密度分布调整采样密度来加速该过程。此外，我们的抽样方法可以被证明是统计上无偏差的。使用我们的方法，甚至可以使用一台台式电脑在大约一个小时内计算出天空等大型场景的真实感渲染。此外，它不仅可以应用于渲染天空，还可以应用于渲染云彩和火焰等一般媒体，并且在这两种情况下，它都可以比传统方法更快地渲染。