Efficient algorithms for inverse lighting design

Abstract

Lighting design is a demanding but essential process in computer cinematography, games, architectural design and various other applications for correctly illuminating or highlighting parts of a scene and enhancing storytelling. When targeting specific illumination goals and constraints, this process can be tedious, time-consuming and counter-intuitive even for experienced users and thus automatic, goal-driven methods are necessary for the estimation of a lighting configuration that generates the desired result. The goal of this thesis is to improve the pipeline of the inverse lighting design process. As a first step, we focus on making the illumination evaluation - a central part of our cost function - more efficient and robust. Aside from the inverse lighting design problem, the pursue of a highly-efficient global illumination technique is important for other major computer graphics applications, such as photorealistic real-time rendering. To this end, we present a generic approach that improves the efficiency of volume-based global illumination methods, using radiance field compression, cache point population optimization and a view-independent approximate indirect occlusion estimation. Next, we investigate and propose two methods that solve the generic inverse lighting design problem of light placement, focusing on scenes with high geometrical complexity, given a set of user-specified lighting goals. Our approach is based on a layered linear / non-linear optimization strategy and the introduction of a special light source indexing according to the compatibility of each individual luminary position with the desired illumination. To additionally minimize the number of used light sources, we offer a method that employs a special hierarchical light clustering that operates in the lighting goal coverage domain and overcomes limitations of previous approaches in environments with high occlusion or structural complexity. Both approaches are independent of the underlying light transport model and can quickly converge to usable configuration recommendations. In the context of perceptually-driven illumination, we propose methods that accentuate the prominent geometric features of objects by enhancing the local contrast near the latter. We present a method that computes a configuration of directional light sources that is based on a voting mechanism and a clustering that produces consistent and view-independent results. Expanding this idea and aiming at more practical constraints for physical environments, such as exhibition and museum lighting solutions, we present a method for the automatic arrangement of spot lights and other luminaires on or near user-provided arbitrary mounting surfaces. Our technique generates the most appropriate position and orientation for light sources based on a local contrast maximization near salient geometric feature groups and a clustering mechanism for determining the number of luminaires.

Ο σχεδιασμός του φωτισμού είναι μια απαιτητική αλλά ουσιαστική διαδικασία που χρησιμοποιείται στην κινηματογραφία, τα παιχνίδια, στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό και σε διάφορες άλλες εφαρμογές για τον σωστό φωτισμό ή την ανάδειξη τμημάτων μιας σκηνής και για την ενίσχυση της αφήγησης. Όταν πρέπει να επιτευχθούν κάποιοι συγκεκριμένοι στόχοι και περιορισμοί φωτισμού, αυτή η τυπικά χειροκίνητη διαδικασία μπορεί να γίνει πολύ επαναλαμβανόμενη, χρονοβόρα και να αποκλίνει από το αναμενόμενο αποτέλεσμα σημαντικά, με αποτέλεσμα να δυσκολεύει ακόμη και τους πιο έμπειρους χρήστες. Συνεπώς, η ύπαρξη αυτόματων μεθόδων για τον υπολογισμό της διάταξης του φωτισμού, καθοδηγούμενων από στόχους, συμβάλλει πολύ ουσιαστικά στην επίτευξη του επιθυμητού αποτελέσματος, ελαχιστοποιώντας την προσπάθεια και τα πιθανά σφάλματα. Ο στόχος της παρούσας διατριβής είναι η βελτίωση της διαδικασίας του αντίστροφου σχεδιασμού φωτισμού (inverse lighting design). Σημαντικό και χρονοβόρο τμήμα της διαδικασίας είναι η αλγοριθμική εκτίμηση του ολικού φωτισμού σε ένα περιβάλλον, δεδομένης μιας παραμετροποίησης για τα φωτιστικά σώματα, προκειμένου να υπολογιστεί η απόκλιση από τον επιθυμητό φωτισμό. Για αυτό το σκοπό, παρουσιάζουμε μια γενική προσέγγιση που βελτιώνει την αποτελεσματικότητα των ογκομετρικών μεθόδων ολικού φωτισμού, χρησιμοποιώντας συμπίεση του πεδίου της λαμπρότητας, τη βελτιστοποίηση της τοποθέτησης των σημείων υπολογισμού της λαμπρότητας και της προσέγγισης της έμμεσης σκίασης, ανεξαρτήτως από την εκάστοτε οπτική γωνία. Η βελτίωση της απόδοσης και της αποτελεσματικότητας των αλγορίθμων υπολογισμού του ολικού φωτισμού δεν ωφελεί μόνο τον αντίστροφο σχεδιασμό φωτισμού αλλά και τις εφαρμογές απόδοσης γραφικών πραγματικού χρόνου. Στη συνέχεια, ερευνήσαμε και προσφέρουμε δύο μεθόδους που επιλύουν το γενικό πρόβλημα αντίστροφης σχεδίασης φωτισμού, εστιάζοντας σε σκηνές με υψηλή γεωμετρική πολυπλοκότητα, δεδομένου ενός συνόλου στόχων φωτισμού καθορισμένων από το χρήστη. Η προσέγγισή μας βασίζεται σε μια στρωματοποιημένη στρατηγική γραμμικής / μη γραμμικής βελτιστοποίησης και στην εισαγωγή ενός ειδικού ευρετηρίου πηγών φωτός σύμφωνα με τη συμβατότητα της κάθε μεμονωμένης θέσης φωτισμού σε σχέση με τον επιθυμητό φωτισμό. Επιπρόσθετα, για να ελαχιστοποιήσουμε τον αριθμό των χρησιμοποιούμενων πηγών φωτός, συνεισφέραμε με μια μέθοδο που χρησιμοποιεί μια ειδική ιεραρχική ομαδοποίηση φωτεινών πηγών, η οποία λειτουργεί στον χώρο της "κάλυψης του επιθυμητού φωτισμού" και ξεπερνά τους περιορισμούς των προηγούμενων προσεγγίσεων σε περιβάλλοντα με πολλά εμπόδια στο φωτισμό ή δομική πολυπλοκότητα. Και οι δύο προσεγγίσεις είναι ανεξάρτητες από το εκάστοτε μοντέλο μεταφοράς φωτός που θα χρησιμοποιηθεί και μπορούν γρήγορα να συγκλίνουν σε χρήσιμες προτάσεις φωτισμού. Στην κατηγορία της βελτίωσης του φωτισμού με αντιληπτικά κριτήρια, παρουσιάζουμε δύο μεθόδους που αναδεικνύουν τα εξέχοντα γεωμετρικά χαρακτηριστικά αντικειμένων, ενισχύοντας την τοπική φαινομενική αντίθεση κοντά σε αυτά. Η πρώτη μέθοδος υπολογίζει μια διάταξη κατευθυντικών πηγών φωτισμού και βασίζεται σε έναν μηχανισμό ψηφοφορίας και παράγει σταθερά και ανεξάρτητα από την προβολή αποτελέσματα. Επεκτείνοντας αυτή την ιδέα και στοχεύοντας σε μοντελοποίηση φωτισμού για πραγματικούς χώρους, όπως φωτιστικές εγκαταστάσεις εκθέσεων, παρουσιάζουμε μια μέθοδο για την αυτοματοποιημένη διαρρύθμιση φωτιστικών σωμάτων, συμπεριλαμβανομένων και φώτων τύπου σποτ, πάνω ή κοντά σε διάφορες επιφάνειες στήριξης των πηγών, επιλεγμένες από τον χρήστη. Η τεχνική μας παράγει την πιο κατάλληλη θέση και προσανατολισμό για τις πηγές φωτός με βάση μια τοπική μεγιστοποίηση της φαινομενικής αντίθεσης και με έναν μηχανισμό ομαδοποίησης προτείνεται και ο τελικός αριθμός των φωτιστικών σωμάτων.