Faster and more robust algorithms for Monte Carlo light transport simulation

Im etablierten Forschungsfeld des Renderings stellen die Anspruche an Geschwindigkeit und Korrektheit noch immer Herausforderungen. Abhangig von Materialien und anderen Szeneneigenschaften sind die Ergebnisse moderner Monte Carlo Simulationsverfahren verrauscht oder gar nicht in der Lage bestimmte Lichteffekte zu reproduzieren. Daher hangen sowohl die Korrektheit als auch die Geschwindigkeit von der Verbesserung der Sampling- Algorithmen ab. In dieser Dissertation schlage ich mehrere Modifikationen vor, welche die Zuverlassigkeit solcher Simulationsmethoden in schwierigen Situationen erhohen. Das erste Problem, fur welches ich Losungen prasentiere, ist die verbesserte Kombination mehrerer Sampling-Techniken bei Verwendung von Photon Mapping. Aktuelle Algorithmen uberschatzen die Wichtigkeit bei der Wiederverwendung von Photonen, was in einer erhohten Varianz resultiert. Ein anderes offenes Problem ist das Rendering von Kaustiken in bestimmten Szenen oder unter Verwendung ausgesuchter Sampling-Techniken. Hierfur prasentiere ich zwei Ansatze, die die Varianz in den entsprechenden Situationen reduzieren konnen. Der erste ist eine lokale Anpassung von Materialien mit dem Ziel generell weniger Varianz bei beliebigen Samplern zu erzwingen. Dies fuhrt zu einer fehlerhaften Weichzeichnung von Glanzeffekten, was wiederum durch den Einsatz von adaptiven Heuristiken verringert werden kann. Der zweite Ansatz zeigt eine neue Sampling-Technik, welche die Verbindung zu einer Lichtquelle ausnutzt um den Transport von Photonen in die sichtbaren Regionen zu lenken. Dies verbessert das Sampling von Kaustiken von weit entfernten Lichtquellen erheblich. Des weiteren habe ich zur Umsetzung der genannten Verbesserungen mehrere Datenstrukturen entwickelt, welche auch in anderen Anwendungen Verwendung finden konnten. Zwei der Datenstrukturen – ein Hash-Gitter und ein Octree – sind darauf spezialisiert die Dichte von Partikeln an beliebigen Punkten abzuschatzen. Beide sind fur den Einsatz in hoch parallelen Architekturen entworfen. Zur alternativen Schatzung von Dichten habe ich mich in dieser Dissertation auserdem mit der Abschatzung von Sampledichten aus dem Pfad selbst (Footprints) auseinander gesetzt.