Valaistusyhtälö

Tässä tietokonegrafiikan alan tutkielmassa tutkitaan annetun kohteen tai maailman valaistuksen määrittämistä laskennallisesti. Ilmiöt kuvataan fysikaalisesti ja valaistusta mallinnetaan ilmiöitä kuvaavilla yhtälöillä. Yhtälöiden ratkaisu perustuu valonsäteiden etenemisen ja sironnan laskennalliseen seurantaan. Näin johdettua matemaattista mallia tutkitaan ja yhtälöiden ratkaisut muotoillaan tietokoneella laskettavaan muotoon. Lopuksi ohjelmoidaan esiteltyä teoriaa hyödyntävä numeerinen ratkaisija ja esitellään käytetyt menetelmät ja tulokset. Valaistuksen matemaattista mallintamista lähestytään fysikaaliselta pohjalta. Aluksi esitellään valon luonnetta ja yhteyttä sähkömagneettiseen säteilyyn ja ihmisen näköjärjestelmään. Tämän jälkeen paneudutaan valonsäteiden heijastumiseen ja sirontaan ja yleistetään klassiset ideaaliset sirontamallit huomioimaan pinnan hienorakenne sirontajakaumilla. Tutkittu ongelma muotoillaan matemaattisiksi yhtälöiksi jotka ratkaistaan analyyttisesti. Ratkaisu osoittautuu intuitiiviseksi: valaistus saadaan laskemalla valonlähteistä emittoituvan valon kaikkien kertalukujen heijastukset. Analyyttinen ratkaisu muotoillaan rekursiiviseksi ja ratkaistaan todennäköisyyslaskentaan perustuvalla Monte Carlo -integroinnilla, jonka suppenemista nopeutetaan tärkeysotannalla. Numeerinen ratkaisu osoitetaan odotusarvoisesti harhattomaksi ja ratkaisun virheen osoitetaan puolittuvan laskentapisteiden määrän nelinkertaistuessa. Käytettävä todennäköisyyslaskenta esitellään pääpiirteittäin. Numeerinen ratkaisumenetelmä on stokastista säteenseurantaa yleistävä polunseuranta. Maailma määritellään kolmioverkkona ja pintojen normaalit annetaan kolmioiden kärkipisteissä. Kolmioista muodostetaan kuvaus tasopinnalle, josta voidaan tarvittaessa lukea esimerkiksi pinnan tarkemmat normaalit, sirontaominaisuudet tai absorptiospektri. Numeerisen ratkaisun eniten aikaa vievä osuus on valonsäteen seuraavan osumapisteen selvitys maailman pintojen välillä. Ratkaisua nopeutetaan tallentamalla maailman kolmiot tehokkaaseen tietorakenteeseen, kd-puuhun, joka mahdollistaa valonsäteen ja suurten kolmiojoukkojen nopeat leikkaustarkistukset. Kd-puun ajatus ja toteutus esitellään työssä lyhyesti. Lopuksi esitellään ratkaisun eri vaiheet ja teoria käytännössä ja nähdään konkreettisesti eri menetelmien merkitys numeerisen ratkaisijan tuottamaan kuvaan. Lisäksi esitellään tehokas prioriteettijonoon perustuva adaptiivinen menetelmä kuvaan jääneen kohinan pienentämiseksi tutkimalla näytteistyksen otoskeskihajonnan ja keskiarvon suhdetta kuvapisteittäin.