Photon Mapping
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Photon Mapping oder auch Photonenkartierung ist ein von Henrik Wann Jensen 1995 veröffentlichter Algorithmus der Bildsynthese, der vornehmlich als Erweiterung von Raytracing-basierten Verfahren genutzt wird.
Das Ziel von Photon Mapping ist es, die globale Beleuchtung einer Szene effizient zu ermitteln und somit realistische Bilder bei geringerem Zeitaufwand zu erzeugen.
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[Bearbeiten] Verfahren
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| Oben: Ein mit Photon Mapping gerendertes Bild, auf dem eine vom Glas erzeugte Kaustik zu erkennen ist. — Unten: Die in der Kaustik-Photonenkarte gespeicherten Photonen sind als gelbe Punkte dargestellt. |
Bei Photon Mapping werden vor dem eigentlichen Rendervorgang so genannte „Photonen“, die eine bestimmte Energie (Strahlungsfluss) transportieren, von den Lichtquellen in die Szene „geschossen“ und an den Oberflächen, auf die sie treffen, reflektiert, gestreut, gebrochen oder gespeichert. Dabei wird eventuell die Energie des Photons verändert. Das Speichern des Photons erfolgt in einer sogenannten Photonenkarte (Photon Map), einer speziellen unabhängigen Datenstruktur (meist ein dreidimensionaler kd-Baum). Den gesamten Vorgang nennt man Photon Tracing. Es handelt sich dabei im Wesentlichen um eine Art Path Tracing von den Lichtquellen anstatt vom Beobachter aus.
Der verwendete Begriff „Photon“ stimmt nur insoweit mit dem physikalischen Begriff überein, als Strahlungsfluss transportiert wird. Es handelt sich beim Photon Mapping nicht um eine quantenphysikalisch korrekte Simulation der Lichtausbreitung.
Die so erstellte Photonenkarte kann auf verschiedene Art genutzt werden. Gebräuchlich ist das Verfahren, bei dem beim Rendering an jedem Punkt, an dem ein Strahl während des Raytracings auf eine Oberfläche trifft, die indirekte Beleuchtung durch die Dichte und Energie der Photonen in der Photonenkarte in der Nähe des jeweiligen Punktes ermittelt wird. Durch Addition der so ermittelten indirekten Beleuchtung und der durch diffuses Raytracing ermittelten direkten Beleuchtung lässt sich die globale Beleuchtung einer Szene ermitteln. Daneben lässt sich die Photonenkarte zur Beschleunigung von Path Tracing verwenden. Zur effizienten Simulation von Kaustiken werden diese in einer unabhängigen Kaustik-Photonenkarte gespeichert.
Der Unterschied zu anderen von der Lichtquelle aus arbeitenden Verfahren wie Forward Raytracing ist, dass die indirekte Beleuchtung nur einmal in einem Arbeitsgang ermittelt und von der Geometrie unabhängig gespeichert wird.
Für Photon Mapping gibt es weitere Anwendungen und Erweiterungen wie Importon Mapping und Volumenstreuung.
[Bearbeiten] Unterstützung
Photon Mapping wird heute von den meisten großen Renderern unterstützt. Der verbreitetste Renderer ist Mental Ray, der in vielen großen 3D-Softwarepaketen standardmäßig integriert ist. Auch andere Renderer wie POV-Ray, YafRay und Maxwell Render unterstützen Photon Mapping.
[Bearbeiten] Literatur
- Henrik Wann Jensen, Realistic Image Synthesis Using Photon Mapping, AK Peters 2001, ISBN 15-688-1147-0.
