Increasing the Quality of Real-Time Rendering in Driving Simulation by Means of Programmable Graphics Hardware
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Driving simulation is an essential research and development tool in car engineering and other sciences world wide. It allows to study driver behavior as well as to analyze and evaluate new car devices at early development stages, saving costs and time. To obtain research results which are transferable to reality, subjects must be provided with a highly convincing simulation environment. The driving experience should feel as real as possible so that subjects behave as they would do when driving a real car. Since human vision is significant for real driving, highly realistic image generation must be a fundamental part of driving simulation. In the past, the simulation of human vision has been widely neglected in driving simulation. This thesis addresses this shortcoming and focuses on real-time rendering techniques to drastically improve the image quality in high-end driving simulation software. Advanced rendering techniques developed at the department of driving simulation of BMW Group Research and Technology are presented that are valuable for high-quality image generation. The techniques described include the generation and rendering of terrains, the reproduction of road surfaces, the visualization of cars, the simulation of light and shadows and more. Aside from analyzing existing methodologies, novel rendering techniques that address the aforementioned visualization issues in driving simulation have been developed. All introduced algorithms are real-time capable and are well suited for the implementation on programmable graphics hardware. The presented rendering techniques improve the image generation quality of driving simulation software dramatically. This leads the simulation of vision much closer to the final goal of photo realism.
Abstract
Auf weiten Gebieten der Forschung und Entwicklung hat sich die Simulation als Mittel zur Erkenntnisgewinnung über real ablaufende Vorgänge etabliert und bewährt. In der Automobilbranche wird die Fahrsimulation unter anderem dazu eingesetzt, prototypische Systeme, wie beispielsweise Anzeige-Bedien-Konzepte oder Fahrerassistenzsysteme kommender Produktgenerationen frühzeitig im Entwicklungsprozess zu untersuchen. Die Simulation erlaubt es, die Anzahl der realen Testfahrten zu reduzieren und damit dem zunehmenden Kostendruck und den kürzer werdenden Produktzyklen der Industrie gerecht zu werden.Weiterhin lassen sich in der Simulation kritische Verkehrssituationen nachstellen, ohne dabei Risiken einzugehen. Damit die Simulationsuntersuchungen Rückschlüsse auf die Wirklichkeit zulassen, ist es unerlässlich, dass die Simulation den Probanden einen möglichst realitätsnahen Eindruck vermittelt. Da die visuelle Wahrnehmung ein wesentliches Element der menschlichen Wahrnehmung darstellt, kommt der graphischen Darstellung in der Fahrsimulation eine maßgebliche Rolle zu. Die Bildgenerierung in der Fahrsimulation findet üblicherweise unter Verwendung von professioneller Computergraphik-Hardware statt. Über lange Zeit hinweg war diese Hardware-gestützte Graphikverarbeitung starr festgelegt und begrenzte die Möglichkeiten der Visualisierungstechnik, und damit auch der erzielbaren Realitätsnähe in der Fahrsimulation. Mit dem Aufkommen von programmierbarer Graphik-Hardware in den letzten Jahren eröffneten sich den Entwicklern von Visualisierungs-Software völlig neue Möglichkeiten die graphische Darstellung der Realität weiter anzunähern. Diese Möglichkeiten galt es auszuschöpfen und für die Fahrsimulation nutzbar zu machen. In dieser Arbeit wurde die bestehende Sichtsimulation der BMW Group Forschung und Technik zu Projektbeginn durch einen Fahrversuch analysiert und in Forschungsfelder kategorisiert. Die aufgespannten Forschungsfelder umfassen folgende Punkte: Die prozedurale Generierung von 3D-Szenerien, die realitätsnahe Darstellung dieser Modelle in Echtzeit, die Visualisierung von Straßenoberflächen und Fahrzeugen, die Simulation von Licht und Schatten sowie die Animation und witterungsbezogene Dynamik von Szenerien. Für die jeweiligen Forschungsfelder wurden bestehende Verfahren hinsichtlich der Tauglichkeit in der Fahrsimulation geprüft, bestehende Methoden zu Neuen kombiniert, sowie gänzlich neue Verfahren entwickelt. Die in dieser Arbeit entwickelten Visualisierungsverfahren tragen maßgeblich zur Steigerung der Realitätsnähe in der Fahrsimulation bei.