Photorealistic simulation and optimization of lighting conditions

Abstract

Lighting plays a very important role in our everyday life, affecting our safety, comfort, well-being and performance. Today, computational methods and tools can be applied to provide recommendations for improving light conditions and finding energy-efficient ways to exploit natural lighting. This thesis addresses the problem of computational optimization of light transport to improve lighting effectiveness, by improving on various aspects of the process, such as goal-driven parametric geometry configuration for building openings and interior design, efficient natural lighting sampling and interactive photorealistic simulation of light transport. Physically-based light transport is at the core of each task and we show how lighting evaluation has a broader application scope than image synthesis. In the domain of light-driven geometry optimization, the thesis makes two contributions, one concerning the opening design problem and one regarding the optimal arrangement of movable objects for interior design. Opening design comes at the early stages of architectural design. and concerns decisions about the geometric characteristics of windows, skylights, hatches, etc. It greatly impacts the overall energy efficiency, thermal profile, air flow and appearance of a building, both internally and externally. It also directly controls daylighting availability, which is very difficult to predict and assess without automatic tools. We developed a computational methodology and a system to automate the process of opening recommendations in a fully interactive virtual environment, fully supporting parametric constraints and illumination intentions. We optimize openings with respect to their shape, position, size and cardinality, based on Bayesian optimization to propose physically correct openings on the geometry of the building. For the light-driven interior design problem, we proposed and evaluated an automatic interior layout process to produce valid object arrangements guided by geometric and illumination constraints, optimizing for glare, correct illuminance levels and lighting uniformity. Geometric and lighting goals are combined into a cost function that allows for a hierarchical, stochastic exploration of the available space of valid configurations. Optimizing for the contribution of natural lighting is an integral part of any outdoor and indoor environment design process. Analytic formulas for clear skies are a computationally and memory efficient method to create physically accurate sky maps of clear sunny days. However, to simulate light transport, sky models must be efficiently sampled. This is typically done via standard importance sampling approaches for image-based lighting, which tend to be slow and wasteful for the predictable nature of the radiance distribution of analytic sky models. We propose and evaluate a method for fitting a truncated Gaussian mixture model on the radiance distribution of the sky map that is both compact and fast to evaluate. Light-driven geometry optimization requires both accurate and fast light transport evaluation, since a very large number of light-carrying paths needs to be evaluated at each new proposal state. Advances in graphics hardware have enabled interactive ray tracing, which relies on highly optimized data structures for the acceleration of ray queries. Bounding volume hierarchies based on axis-aligned bounding boxes have been the go-to data structure for fast ray-primitive intersections. Similar hierarchies of oriented bounding boxes (OBBs) provide much higher early hierarchy traversal termination rates, however their construction requires complex algorithms for the extraction of tight-fitting OBBs. To further accelerate ray tracing for our tasks, we properly adapt a high quality OBB extraction algorithm from unordered point sets to operate directly on existing hierarchies, to effectively construct an OBB tree on the GPU. By combining our method with existing fast algorithms from the literature that construct hierarchies in real-time, we are able to produce OBB trees that are extremely fast to build and traverse on the GPU. Furthermore, to allow for accurate light transport evaluators accessible as industry-grade tools, we developed and presented WebRays, the first generic ray intersection framework for the Web that offers a programming interface similar to modern ray tracing pipelines for desktop platforms and allows the implementation of light-driven design tools accessible from any platform

Ο φωτισμός παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην καθημερινή μας ζωή, επηρεάζοντας την ασφάλεια, την άνεση, την ευημερία και την απόδοσή μας. Σήμερα, υπολογιστικές μέθοδοι και εργαλεία μπορούν να εφαρμοστούν για την παροχή συστάσεων με στόχο την βελτίωση των συνθηκών φωτισμού και την εξεύρεση ενεργειακά αποδοτικών τρόπων εκμετάλλευσης του φυσικού φωτισμού. Η παρούσα διατριβή ασχολείται με το πρόβλημα της υπολογιστικής βελτιστοποίησης της προσομοίωσης διάδοσης του φωτός για αποτελεσματικότερη κατανομή φωτισμού, βελτιώνοντας διάφορες πτυχές της διαδικασίας, όπως η παραμετρική διαμόρφωση της γεωμετρίας για τα ανοίγματα των κτιρίων και τον εσωτερικό σχεδιασμό, η αποτελεσματική δειγματοληψία φυσικού φωτισμού και η διαδραστική φωτορεαλιστική προσομοίωση της διάδοσης του φωτός μέσα από την παρακολούθηση ακτίνων. Η αναλυτική και σωστή προσομοίωση της διάδοσης φωτός βρίσκεται στον πυρήνα κάθε μιας από τις εργασίες μας και δείχνουμε πώς η σωστή προσομοίωση φωτισμού έχει ένα ευρύ πεδίο εφαρμογής που ξεφεύγει από την καθιερωμένη χρήση του για σύνθεση εικόνας σε τομείς όπως τα βιντεοπαιχνίδια και ο κινηματογράφος. Στον τομέα της καθοδηγούμενης από τον φωτισμό βελτιστοποίησης της γεωμετρίας, η διατριβή συνεισφέρει στο πρόβλημα του σχεδιασμού ανοιγμάτων και στη αυτοματοποιημένη διάταξη αντικειμένων για την σχεδίαση εσωτερικών χώρων. Ο σχεδιασμός ανοιγμάτων έρχεται στα αρχικά στάδια του αρχιτεκτονικού σχεδιασμού και αφορά στις αποφάσεις για τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των παραθύρων, των φεγγιτών, των καταπακτών κ.λπ. Επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τη συνολική ενεργειακή απόδοση, το θερμικό προφίλ, τη ροή του αέρα και την εμφάνιση ενός κτιρίου, τόσο εσωτερικά όσο και εξωτερικά. Καθορίζει άμεσα την διαθεσιμότητα του φυσικού φωτισμού, η οποία είναι πολύ δύσκολο να προβλεφθεί και να εκτιμηθεί χωρίς αυτόματα εργαλεία. Στα πλαίσια της διατριβής, αναπτύξαμε μια υπολογιστική μέθοδο και ένα σύστημα για την αυτοματοποίηση της διαδικασίας σχεδίασης ανοίγματών σε ένα πλήρως διαδραστικό εικονικό περιβάλλον, υποστηρίζοντας παραμετρικούς γεωμετρικούς περιορισμούς και φωτιστικούς στόχους. Χρησιμοποιώντας βελτιστοποίηση κατά Bayes υπολογίζουμε το σχήμα, τη θέση, το μέγεθος και τον αριθμό των ανοιγμάτων ώστε να προταθούν αρχιτεκτονικά σωστά ανοίγματα στη γεωμετρία του κτιρίου τα οποία ικανοποιούν τους φωτιστικούς στόχους. Για το πρόβλημα του καθοδηγούμενο από τον φωτισμό εσωτερικού σχεδιασμού, προτείναμε και αξιολογήσαμε μια διαδικασία εσωτερικής διαρρύθμισης για την αυτοματοποιημένη παραγωγή έγκυρων διατάξεων αντικειμένων που ικανοποιούν γεωμετρικούς περιορισμούς και περιορισμούς φωτισμού. Οι περιορισμοί φωτισμού αφορούν σε σωστά επίπεδα φωτισμού, ομοιομορφία του φωτισμού αλλα και στην μείωση της θάμβωσης απο ανακλάσεις σε γυαλιστερές επιφάνειες. Οι γεωμετρικοί στόχοι και οι στόχοι φωτισμού συνδυάζονται σε μια συνάρτηση κόστους που επιτρέπει μια ιεραρχική, στοχαστική εξερεύνηση του διαθέσιμου χώρου έγκυρων διαταξεων των αντικειμένων.Η βελτιστοποίηση της αξιοποίησης του φυσικού φωτισμού αποτελεί αναπόσπαστο μέρος κάθε διαδικασίας σχεδιασμού εξωτερικών και εσωτερικών χώρων. Τέτοιες διαδικασίες διευκολύνονται απο μια ακριβή προσομοίωση της συνεισφορας ενέργειας του ουράνιου στερεώματος. Στον τομέα των γραφικών υπολογιστών, οι αναλυτικές μαθηματικές φόρμουλες για την υπολογιστική προσομοίωση ενός καθαρού ουρανού αποτελούν μια αποδοτική μέθοδο για τη δημιουργία φυσικών και ακριβή χαρτών περιβάλλοντος του ουρανού για καθαρές ηλιόλουστες συνθήκες. Ωστόσο, κατά την προσομοίωση της διάδοσης φωτός, απαιτείται αποτελεσματική δειγματοληψία αυτών των εικόνων περιβάλλοντος βάσει της κατανομής ενέργειας στο ουράνιο στερέωμα. Αυτό συνήθως γίνεται μέσω γενικών μεθόδων στατιστικής δειγματοληψίας σημαντικότητας, με βάση την τιμή των εικονοστοιχείων της εικόνας. Αυτές τείνουν να είναι αργές και σπάταλες απο άποψη μνήμης συγκριτικά με την προβλέψιμη συμπεριφορά των αναλυτικών μοντέλων προσομοίωσης ουρανού. Στα πλαίσια της διατριβής, προτείνουμε και αξιολογούμε μια μέθοδο για την προσαρμογή ενός πιθανοτικού μίγματος μοντέλων, βασισμένο σε περικομμένες κανονικές κατανομές, πάνω στην κατανομή ακτινοβολίας του χάρτη περιβάλλοντος του ουρανού, η οποία επιτρέπει γρήγορη και ακριβή παραγωγή δειγμάτων. Η βελτιστοποίηση της γεωμετρίας με γνώμονα το φως απαιτεί ακριβή και αποδοτική προσομοίωση της διάδοσης του φωτός, καθώς ένας πολύ μεγάλος αριθμός διαδρομών φωτεινής ενέργειας πρέπει να αξιολογηθεί για κάθε νέα προτεινόμενη κατάσταση. Οι εξελίξεις στους επιταχυντές γραφικών έχουν καταστήσει δυνατή τη διαδραστική παρακολούθηση ακτίνων, η οποία βασίζεται σε ιδιαίτερα βελτιστοποιημένες δομές δεδομένων για την επιτάχυνση της εύρεσης τομών ακτίνων με την γεωμετρία. Οι ιεραρχίες όγκων που βασίζονται σε ορθογώνια παραλληλεπίπεδα, αποτελούν μια αποδοτική δομή δεδομένων για την εύρεση τομών ακτίνας-γεωμετρίας. Παρόμοιες ιεραρχίες από προσανατολισμένα παραλληλεπίπεδα (ΠΠς) παρέχουν αποδοτικότερη πλαισιώση της επιμέρους γεωμετρίας, μειώνοντας αρκετά των αριθμό των απαιτούμενων τομών κατά την διάσχιση της ιεραρχίας. Ωστόσο η κατασκευή τους απαιτεί πολύπλοκους αλγορίθμους για τον υπολογισμό καλά προσαρμοσμένων ΠΠς. Για να επιταχύνουμε περαιτέρω την παρακολούθηση ακτίνων για τις εργασίες μας, προσαρμόσαμε κατάλληλα έναν αλγόριθμο εξαγωγής υψηλής ποιότητας ΠΠς από μη ταξινομημένα σύνολα 3Δ σημείων ώστε να λειτουργεί απευθείας σε υπάρχουσες ιεραρχίες, για την αποτελεσματική κατασκευή ενός δέντρου από ΠΠς με χρήση του επιταχυντή γραφικών. Συνδυάζοντας τη μέθοδό μας με υπάρχοντες αλγορίθμους από τη βιβλιογραφία που κατασκευάζουν ιεραρχίες σε πραγματικό χρόνο, καταφέρνουμε να παράγουμε δενδρικές δομές απο ΠΠς που είναι εξαιρετικά γρήγορες στην κατασκευή και τη διάσχιση στον επυταχυντή γραφικών. Επιπλέον, αναπτύξαμε και παρουσιάσαμε το WebRays, την πρώτη γενική προγραμματιστική βιβλιοθήκη για παρακολούθηση ακτίνων που τρέχει σε περιβάλλον φυλλομετρητή. Η βιβλιοθήκη προσφέρει μια προγραμματιστική διεπαφή παρόμοια με τις σύγχρονες βιβλιοθήκες παρακολούθησης ακτίνων για επιτραπέζιους υπολογιστές. Σκοπός μας ήταν να διευκολυνθεί η υλοποίηση εργαλείων για την καθοδηγούμενη από το φωτισμό σχεδίαση και η προσβασιμότητα απο περισσότερες υπολογιστικές πλατφόρμες όπως ο Παγκόσμιος Ιστός