Hardware-supported cloth rendering

Abstract

Many computer graphics applications involve rendering humans and their natural surroundings, which inevitably requires displaying textiles. To accurately resemble the appearance of e.g. clothing or furniture, reflection models are needed which are capable of modeling the highly complex reflection effects exhibited by textiles. This thesis focuses on generating realistic high quality images of textiles by developing suitable reflection models and introducing algorithms for illumination computation of cloth surfaces. As efficiency is essential for illumination computation, we additionally place great importance on exploiting graphics hardware to achieve high frame rates. To this end, we present a variety of hardware-accelerated methods to compute the illumination in textile micro geometry. We begin by showing how indirect illumination and shadows can be efficiently accounted for in heightfields, parametric surfaces, and triangle meshes. Using these methods, we can considerably speed up the computation of data structures like tabular bidirectional reflectance distribution functions (BRDFs) and bidirectional texture functions (BTFs), and also efficiently illuminate heightfield geometry and bump maps. Furthermore, we develop two shading models, which account for all important reflection properties exhibited by textiles. While the first model is suited for rendering textiles with general micro geometry, the second, based on volumetric textures, is specially tailored for rendering knitwear. To apply the second model e.g. to the triangle mesh of a garment, we finally introduce a new rendering algorithm for displaying semi-transparent volumetric textures at high interactive rates.

Eine Vielzahl von Anwendungen in der Computergraphik schließen auch die Darstellung von Menschen und deren natürlicher Umgebung ein, was zwangsläufig auch die Darstellung von Textilien erfordert. Um beispielsweise das Aussehen von Bekleidung oder Möbeln genau zu erfassen, werden Reflexionsmodelle benötigt, die in der Lage sind, die hochkomplexen Reflexionseffekte von Textilien zu berücksichtigen. Der Schwerpunkt dieser Dissertation liegt in der Generierung qualitativ hochwertiger Bilder von Textilien, was wir durch die Entwicklung geeigneter Reflexionsmodelle und von Algorithmen zur Beleuchtungsberechnung an Stoffoberflächen ermöglichen. Da Effizienz essentiell für die Beleuchtungsberechnung ist, nutzen wir die Möglichkeiten von Graphikhardware aus, um hohe Bildwiederholraten zu erzielen. Hierfür legen wir eine Vielzahl von hardware-beschleunigten Methoden zur Beleuchtungsberechnung der Mikrogeometrie von Textilien vor. Zuerst zeigen wir, wie indirekte Beleuchtung und Schatten effizient in Höhenfeldern, parametrischen Flächen und Dreiecksnetzen berücksichtigt werden können. Mit Hilfe dieser Methoden kann die Berechnung von Datenstrukturen wie tabellarischer bidirectional reflectance distribution functions (BRDFs) und bidirectional texture functions (BTFs) erheblich beschleunigt, sowie die Beleuchtung von Höhenfeld-Geometrie und Bumpmaps effizient errechnet werden.Weiterhin entwickeln wir zwei Reflexionsmodelle, welche alle wichtigen Reflexionseigenschaften berücksichtigen, die Textilien aufweisen. Während das erste Modell sich zur Darstellung von Textilien mit allgemeiner Mikrogeometrie eignet, ist das zweite, welches auf volumetrischen Texturen basiert, speziell auf die Darstellung von Strickwaren zugeschnitten. Um das zweite Modell z.B. auf das Dreiecksnetz eines Bekleidungsstückes anzuwenden führen wir einen neuen Renderingalgorithmus für die Darstellung von semi-transparenten volumetrischen Texturen mit hohen Bildwiederholraten ein.