Using perception-based filtering to hide shadow artifacts

Abstract

Schatten helfen dabei, räumliche Zusammenhänge zu begreifen, und sind aus modernen Echtzeitvisualisierungen nicht mehr wegzudenken. In der Echtzeitgrafik werden häufig Shadow-Mapping Verfahren in Kombination mit Tiefpassfiltern verwendet um visuell ansprechende Schatten zu erzeugen. Der weichzeichnende Effekt dieser Filter hat den Vorteil, dass Fehler, die bei beim Abtasten der Szenengeometrie entstehen, versteckt werden können, was wiederum die visuelle Qualität der erzeugten Schatten erhöht. Ziel dieser Arbeit ist es, diese Filter auszunutzen, um eine Funktion aus dem Radius des Weichzeichnungsfilters und der Abtastrate der Shadow Map herzuleiten, die es ermöglicht, Rechenleistung einzusparen, während der optische Eindruck der Schatten erhalten bleibt. Im Verlauf dieser Arbeit werden wir ergründen, wie diese Fehler entstehen und wie man sie vermeiden kann. Eine Studie hilft uns dabei, ein optimales Verhältnis zwischen der Abtastfrequenz der Shadow Map und dem Radius des Filters zu finden. Aus den Ergebnissen der Studie leiten wir dann eine Formel ab und entwickeln einen Algorithmus, mit dem sich bestehende Shadow-Mapping Algorithmen erweitern lassen können. Anhand der Implementierung eines Prototyps können wir zeigen, dass sich mit unserer Methode in vielen Fällen die Sampling Frequenz reduzieren lässt und Rechenleistung eingespart werden kann.

Shadows are an indispensable aid for understanding spatial relations of objects in natural scenes, which is why they are very important for real-time rendering applications. Combining filtering techniques with shadow mapping is a common tool to simulate visually pleasing shadows in interactive applications. A positive effect of such approaches is that filtering blurs aliasing artifacts caused by sampling the discretized geometric data stored in the shadow map, thereby improving the visual quality of the shadow. The goal of this thesis is to exploit common filtering algorithms in order to find a function of blur radius and shadow-map sampling frequency, which allows for optimized computational performance while mostly preserving the visual quality of the shadow. In the course of this work, we investigate how shadow artifacts arise and how to hide them. We set up and execute a user study to find the optimal relation between the shadow-map sampling frequency and the filter radius. From the results of the user study, we derive a formula and develop an algorithm that can be incorporated into existing shadow-mapping algorithms. We evaluate our results by applying the algorithm to a custom-made rendering framework and observe an increase in processing speeds.