Snabbare fotorealism med matematikens hjälp

Snart är avbildningarna vi ser i datorn lika realistiska som de vi själva upplever i verkliga livet. Med 3D datorgrafik används modeller för att omvandlas till fotorealistiska bilder. I datorspelen ska omvandlingen gå så fort som möjlig, helst i realtid.

Tomas Akenine-Möller och grafikgruppen på LTH forskar om algoritmer och tekniker för att skapa så realistiska bilder som möjligt utifrån tredimensionella beskrivningar av modeller. Kronan som syns i bild är ett exempel på en sådan fotorealistisk datorbild.

– Vi eftersträvar fotorealism inom datorgrafiken och detta betyder att vi vill att bilden som vi räknar fram med hjälp av algoritmer i datorn så långt det är möjligt ska se ut som ett foto på samma riktiga objekt, säger Tomas Akenine-Möller.

På senare tid har en hel del av de fotorealistiska algoritmerna och teknikerna anpassats till realtidsgrafik i spel och filmer. I ett spel behövs det 50 till 100 bilder per sekund och om alla ska vara skapade med fotorealism krävs det många beräkningar. Samtidigt så tar det enormt mycket tid att beräkna fram en bild med absolut högsta kvalité, allt från minuter till timmar, enligt Tomas Akenine-Möller.

– Därför har vi stort intresse i att forska fram nya algoritmer som göra detta snabbare för att till slut kunna nå målet att all bildgenerering skall gå i realtid, det vill säga det skall ta 10-30 millisekunder per bild istället.

Målet är alltså att få datorn att undvika onödigt arbete också för att bildregenereringen ska dra så lite energi som möjligt så att batteriet, på exempelvis mobilen eller plattan, håller längre.

Länge har man behövt tumma en del på kvalitén för att nå realtidsprestanda, men bildkvalitén under de senaste 10 åren förbättrats avsevärt i många spel och det blir lite bättre för varje år, menar Tomas Akenine-Möller. Förbättringarna beror inte bara på att mjukvarualgoritmerna blir snabbare och smartare utan även på att grafikprocessorerna blir bättre och snabbare.

– Vi har lagt mycket forskning på att förbättra de tekniker som finns i kislet i grafikprocessorerna. Detta eftersom realtidsgrafik handlar om att använda sig av grafikprocessorer för att räkna fram bilder med så bra kvalité som möjligt.

Text: Pia Romare

Film: Modellen på bilden har 32 000 unika hårstrån. I filmen har man använt effektiva algoritmer för att klara av att hantera utritning av tunna föremål såsom hårstrån. Att omvandla en modell till bild kallas rendering. För att göra detta fotorealistiskt simulerar man ljustransporten. Att få fram bilder av mycket tunna objekt som hårstrån är extremt svårt att klara av på kort tid eftersom hårstråna är så tunna att det är osannolikt att en stråle skall träffa dem. Från LUGG 2012 film på hår:

http://fileadmin.cs.lth.se/graphics/research/papers/2012/hairy/hairy.mp4

Fakta

Att beskriva en modell

En 3D-modell skapas av olika punkter som definierar dess geometriska form, så kallade polygoner. En polygon är ett område som är bildats av minst tre punkter. Geometrin som beskriver kronan på bilden finns i tre rumsliga dimensioner, och i detta fall består geometrin bara av trianglar. Man kan säga att triangeln är datorgrafikens atom, eftersom det är den “minsta” typen av geometri som man kan bygga upp tredimensionella modeller med.

Ljus och skuggfenomen är speciellt viktiga för att skapa ett realistiskt intryck. Den belysta ytans material har också stor betydelse, eftersom olika material reagerar olika på ljus. Allt detta hanteras matematiskt för var triangel och det är detta som gör att exempelvis viss geometri ser ut som pärlor och annan ser ut som guld.

 

 

Fakta om Tomas Akenine-Möller

Tomas Akenine-Möller är professor i datorvetenskap med inriktning på datorgrafik och bildbehandling vid Lunds universitet. Han leder forskargruppen för datorgrafik LUGG (Lund University Graphics Group). Tillsammans med LU Innovation startade Tomas Akenine-Möller och tre av hans doktorander ett bolag, Swiftfoot Graphics, som blev uppköpt av Intel i december 2008. På så sätt startade Intel ett forskningskontor i Lund, där de fyra grundarna av Swiftfoot Graphics också arbetar.