Shadow Techniques for Interactive and Real-Time Applications

Abstract

Shadows provide important visual cues for the relative position of objects in threedimensional space. For interactive and real-time applications, e.g. in virtual reality systems or games, the shadow computation needs to be extremely fast, usually synchronized with the displays refresh rate. Using dynamic scenes with many, movable light sources, shadow computation is therefore often the main bottleneck in a rendering system. In this thesis we will discuss this problem in detail: Originating from Williams shadow maps and Crows shadow volumes, we will present hardware accelerated shadow techniques that are able to generate shadows of high-quality while still being fast enough to be used in real-time or interactive applications. We will show algorithms for the computation of hard shadows as well as for the more complex problem of approximating soft shadows caused by area light sources.

Schatten sind wichtige visuelle Merkmale die über die relative Position eines Objektes in einem drei-dimensionalen Raum Aufschluss geben. Die Schattenberechnung muss für interaktive und Echtzeit-Anwendungen, wie z.B. Virtual Reality Systeme oder in Spielen, extrem schnell erfolgen, idealerweise synchronisiert mit der Bildwiederholfrequenz. Im Fall von dynamischen Szenen mit vielen, beweglichen Lichtquellen, ist die Berechnung von Schatten oftmals der zeitkritischste Teil innerhalb eines Rendering-Systems. In dieser Dissertation behandeln wir genau dieses Problem im Detail. Ausgehend vonWilliams'; Shadow Maps und Crow';s Shadow Volumes werden Hardwarebeschleunigte Schattentechniken vorgestellt, die Schatten von hoher Qualität erzeugen können, aber trotzdem so effizient sind, dass sie für Echtzeit- und interaktive Anwendungen eingesetzt werden können. Wir werden sowohl Algorithmen zur Berechnung harter Schatten beschreiben, als auch das schwierigere Problem der Approximation von sanften Schatten, wie sie z.B. bei Flächenlichtquellen entstehen, behandeln.