Real-time Rendering and Animation of Vegetation

Abstract

Vegetationsdarstellung und Animation in Echtzeitapplikationen stellen immernoch ein grosses Problem aufgrund der inhärenten Komplexität vonPanzen dar. Sowohl die geometrische Komplexität als auch der aufwändigeLichttransport erfordern spezialisierte Techniken um eine hochqualitativeDarstellung von Vegetation in Echtzeit zu erreichen. Diese Doktorarbeitpräsentiert neue Algorithmen die unterschiedliche Bereiche von Vegetationsdarstellungund Animation bearbeiten.Um Gras darzustellen wird ein effzienter Algorithmus f&ü;r kurzes unddichtes Gras eingeführt. Im Gegensatz zu vorherigen Algorithmen ist dieseneue Herangehensweise strahlenbasiert um die massive überzeichnung vonBillboard- oder explizite Geometrierepräsentationstechniken zu verhindern.Damit wird eine Unabhängigkeit von der Graskomplexität erreicht, ohne dieCharakteristiken von Gras wie Parallax und Verdeckung zu verlieren.Zusätzlich wird eine Methode für effzientes Darstellen von Blättern eingeführt. Blätter besitzen ein komplexes Lichttransportverhalten und es wirdvor allem auf die Lichtdurchlässigkeit, ein integraler Bestandteil von Blattschattierung,geachtet. Der Lichttransport durch ein Blatt wird vorberechnetund kann leicht zur Laufzeit ausgewertet werden. Dies ermöglicht die Schattierungeiner grossen Anzahl an Blättern, einschliesslich Effekten die durch die Blattstruktur entstehen wie variierende Reektivität, Dicke oder Selbstabschattung.Um einen Baum zu animieren wird eine neue Deformationsmethode auf Basis eines Strukturmechanikmodells, das alle wichtigen physikalischen Eigenschaftenvon ästen miteinbezieht. Dieses Modell erfordert nicht die Segmentierungdurch Joints wie vorhergehende Methoden, wodurch eine weicheund akkurate Biegung ermöglicht wird, die vollständig auf der GPU ausgeführt werden kann. Um diese Deformation anzutreiben wird eine spektraleHerangehensweise benutzt die ebenfalls die physikalischen Eigenschaften vonästen benutzt. Diese Technik erlaubt es hochdetailierte Bäume mit tausendenästen und zehntausenden Blättern effzient zu animieren.Desweiteren wird eine Methode eingeführt, die eine effziente Nutzungvon dynamischen Himmelslichtmodellen mit Spherical Harmonics PrecomputedRadiance Transfer Techniken ermöglicht. Sie erlaubt das Verändernder Parameter in Echtzeit ohne nennenswerten Rechenaufwand und Speicherverbrauch. - Vegetation rendering and animation in real-time applications still pose a significant problem due to the inherent complexity of plants. Both the highgeometric complexity and intricate light transport require specialized techniquesto achieve high-quality rendering of vegetation in real time. Thisthesis presents new algorithms that address various areas of both vegetationrendering and animation.For grass rendering, an effcient algorithm to display dense and short grassis introduced. In contrast to previous methods, the new approach is based onray tracing to avoid the massive overdraw of billboard or explicit geometryrepresentation techniques, achieving independence of the complexity of thegrass without losing the visual characteristics of grass such as parallax andocclusion effects as the viewpoint moves.Also, a method to efficiently render leaves is introduced. Leaves exhibita complex light transport behavior due to subsurface scattering and specialattention is given to the translucency of leaves, an integral part of leaf shading.The light transport through a leaf is precomputed and can be easilyevaluated at runtime, making it possible to shade a massive amount of leaveswhile including the effects that occur due to the leaf structure such as varyingalbedo and thickness variations or self shadowing.To animate a tree, a novel deformation method based on a structural mechanicsmodel that incorporates the important physical properties of branchesis introduced. This model does not require the branches to be segmented byjoints as other methods, achieving smooth and accurate bending, and can beexecuted fully on a GPU. To drive this deformation, an optimized spectralapproach that also incorporates the physical properties of branches is used.This allows animating a highly detailed tree with thousands of branches andten thousands of leaves efficiently.Additionally, a method to use dynamic skylight models in spherical harmonicsprecomputed radiance transfer techniques is introduced, allowing tochange the skylight parameters in real time at no considerable cost and memoryfootprint.