Accelerating the Rendering Process Using Impostors
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Date
2005
Authors
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Publisher
Jeschke
Text.PhDThesis
Abstract
Die Darstellung dreidimensionaler geometrischer Modelle zur Erzeugung glaubw ürdiger Bilder ist in der Computergrafik ein Gebiet von großem Interesse. Eine besondere Herausforderung ist hierbei die Erstellung einer flüssigen Animation mit mindestens 60 Bildern pro Sekunde für sehr komplexe Modelle. Anwendungen hierfür finden sich in vielfältigen Bereichen wie zum Beispiel in Schiffs-, Fahr-, oder Flugsimulationen, virtuellen Realit¨aten oder auch Computerspielen. Obwohl gebräuchliche Grafikhardware in den vergangenen Jahren an Leistung stark zugenommen hat, wachsen die Ansprüche nach realistischeren und damit komplexeren Modellen in noch höherem Maße. Diese Dissertation beschäftigt sich mit einem Ansatz zur beschleunigten Ausgabe solch komplexer Modelle. Es wird ausgenutzt, daß sich das Erscheinungsbild insbesondere entfernter Szenenteile über mehrere Ausgabebilder kaum ver- ändert. Diese Szenenteile werden durch vorberechnete bildbasierte Repräsentationen, sogenannte Imposter, ersetzt. Imposter bieten den Vorteil der schnelleren Darstellbarkeit bei gleichem oder zumindest ähnlichem Erscheinungsbild für einen räumlich abgegrenzten Bereich, dem sogenannten Sichtbereich. In bisherigen Ansätzen hierzu wurde jedoch die visuelle Qualit¨at der Impostor (d.h. die visuelle Unterscheidbarkeit zur Originalgeometrie) für den Sichtbereich nur unter sehr hohem Aufwand sichergestellt, und die Speicherplatzanforderungen für alle Imposter einer Szene sind oft unerw¨unscht hoch. Diese Punkte sind beim heutigen Stand der Impostertechnik als Hauptprobleme einer breiten Anwendbarkeit zu sehen. In dieser Arbeit wurden zwei neue Impostortechniken entwickelt, die auf einer Einteilung des zu repräsentierenden Szenenteils in Bildschichten mit unterschiedlichem Abstand zum Betrachter basieren. Durch die Einf¨uhrung spezieller Fehlermetriken wird die visuelle Qualität der Imposter für einen großen Sichtbereich quantifizierbar und garantierbar. Gleichzeitig können unsichtbare Szenenteile ef- fizient entfernt werden, was den Speicherbedarf für die Repr¨asentation verringert. Dabei werden keinerlei Informationen über die Struktur des originalen Szenenteils benötigt. Bei der einen Technik wird jede Bildschicht separat mit Geometrieinformation verknüpft. Hierdurch wird eine schnelle Impostererstellung sowie ein sehr geringer Speicherbedarf f¨ur entfernte Szenenteile erreicht. Bei der anderen Technik erfolgt die Verkn¨upfung der Geometrieinformation unabh¨angig von den Bildschichten. Dies reduziert die geometrische Komplexit¨at und den ben¨otigten Speicherplatz f¨ur die Repr¨asentation nahe gelegener Objekte wesentlich. Der zweite Teil der Arbeit besch¨aftigt sich mit dem effizienten Einsatz von Impostern. Das Ziel ist hierbei, durch den Impostereinsatz eine Mindestbildwiederholrate für jeden möglichen Blickpunkt in einer Szene zu garantieren und gleichzeitig den Speicherplatzbedarf f¨ur alle Imposter zu minimieren. Dazu wurde ein Algorithmus entwickelt, der automatisch Imposter und dazugeh¨orige Sichtbereiche so auswählt, daß nur solche Szenenteile als Imposter für jeden Blickpunkt repräsentiert werden, die sich hierf¨ur besonders eignen. Speziell wird dabei der Fehler bisheriger Ansätze vermieden, für benachbarte Sichtbereiche mehrere sehr ähnliche Imposter für entfernte Objekte zu generieren. Außerdem werden parallel zu Impostern weitere Darstellungsbeschleunigungsverfahren eingesetzt, was den Speicheraufwand f¨ur die Imposter weiter reduziert. Der Algorithmus ist dabei so allgemein gehalten, daß ein effizienter Impostereinsatz in beliebigen dreidimensionalen Szenen sowie auch mit unterschiedlichen Impostertechniken erm¨oglicht wird. Zusammenfassend erlauben die entwickelten Techniken and Algorithmen eine fl¨ussige Animation bei einer garantierbaren Mindestausgabebildqualit¨at sowie einen wesentlich geringeren Speicheraufwand f¨ur Imposter in einer Szene. Dies erlaubt den Einsatz von Impostern in verschiedenen Szenen und Applikationen, in denen diese Technik bisher nicht anwendbar war. - The interactive rendering of three-dimensional geometric models is a research area of big interest in computer graphics. The generation of a fluent animation for complex models, consisting of multiple million primitives, with more than 60 frames per second is a special challenge. Possible applications include ship-, driving- and flight simulators, virtual reality and computer games. Although the performance of common computer graphics hardware has dramatically increased in recent years, the demand for more realism and complexity in common scenes is growing even faster. This dissertation is about one approach for accelerating the rendering of such complex scenes. We take advantage of the fact that the appearance of distant scene parts hardly changes for several successive output images. Those scene parts are replaced by precomputed image-based representations, so-called impostors. Impostors are very fast to render while maintaining the appearance of the scene part as long as the viewer moves within a bounded viewing region, a so-called view cell. However, unsolved problems of impostors are the support of a satisfying visual quality with reasonable computational effort for the impostor generation, as well as very high memory requirements for impostors for common scenes. Until today, these problems are the main reason why impostors are hardly used for rendering acceleration. This thesis presents two new impostor techniques that are based on partitioning the scene part to be represented into image layers with different distances to the observer. A new error metric allows a guarantee for a minimum visual quality of an impostor even for large view cells. Furthermore, invisible scene parts are efficiently excluded from the representation without requiring any knowledge about the scene structure, which provides a more compact representation. One of the techniques combines every image layer separately with geometric information. This allows a fast generation of memory-efficient impostors for distant scene parts. In the other technique, the geometry is independent from the depth layers, which allows a compact representation for near scene parts. The second part of this work is about the efficient usage of impostors for a given scene. The goal is to guarantee a minimum frame rate for every view within the scene while at the same time minimizing the memory requirements for all impostors. The presented algorithm automatically selects impostors and view cells so that for every view, only the most suitable scene parts are represented as impostors. Previous approaches generated numerous similar impostors for neighboring view cells, thus wasting memory. The new algorithm overcomes this problem. The simultaneous use of additional acceleration techniques further reduces the required impostor memory and allows making best use of all available techniques at the same time. The approach is general in the sense that it can handle arbitrary scenes and a broad range of impostor techniques, and the acceleration provided by the impostors can be adapted to the bottlenecks of different rendering systems. In summary, the provided techniques and algorithms dramatically reduce the required impostor memory and simultaneously guarantee a minimum output image quality. This makes impostors useful for numerous scenes and applications where they could hardly be used before.
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