Neuer Entwurf

doc/Themenvorschlag/components/v2.tex → doc/Themenvorschlag/components/v2/gliederung.tex

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 \begin{enumerate}
     \item Aufgabenstellung
-    
     \item Einführung: Was ist Raytracing?
     \begin{enumerate}
         \item Theoretische Grundlagen
-        \item Umsetzung mit Vulkan & NVIDIA-Extension
+        \item Umsetzung mit Vulkan \& NVIDIA-Extension
         \item Hardwareunsterstützung
     \end{enumerate}
         
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         \item Qualität
         \item Performance
     \end{enumerate}
-    
-    \begin{enumerate}
-    \end{enumerate}
 \end{enumerate}
 %
 Nützliche Links:
-http://graphics.cs.aueb.gr/graphics/docs/papers/GraphiCon09_PapadopoulosPapaioannou.pdf
-https://graphics.stanford.edu/courses/cs348b-03/papers/veach-chapter9.pdf
-http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.671.766&rep=rep1&type=pdf
-https://nvpro-samples.github.io/vk_raytracing_tutorial/vkrt_tuto_intersection.md.html#environmentsetup/intersectionshader
-https://www.saschawillems.de/blog/2016/08/13/vulkan-tutorial-on-rendering-a-fullscreen-quad-without-buffers/
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+% http://graphics.cs.aueb.gr/graphics/docs/papers/GraphiCon09_PapadopoulosPapaioannou.pdf
+% https://graphics.stanford.edu/courses/cs348b-03/papers/veach-chapter9.pdf
+% http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.671.766&rep=rep1&type=pdf
+% https://nvpro-samples.github.io/vk_raytracing_tutorial/vkrt_tuto_intersection.md.html#environmentsetup/intersectionshader
+% https://www.saschawillems.de/blog/2016/08/13/vulkan-tutorial-on-rendering-a-fullscreen-quad-without-buffers/
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doc/Themenvorschlag/components/v2/grundlagen.tex

+\section{Grundlagen von Raytracing}
+Zunächst sollen die Grundlagen von Raytracing und die wichtigen Begriffe kurz umrissen werden um eine Basis
+für die Verständlichkeit des Dokuments zu legen. Dies ist auch in der Ausarbeitung selbst erforderlich und
+kann dort noch mehr vertieft werden.\\
+%
+\paragraph{Strahl/Ray:} Ein Strahl (oder eben Ray) besteht aus einem Startpunkt und einem Richtungsvektor. Der
+Kern des Raytracings ist, die Schnittpunkte eines solchen Strahls mit der Szene zu berechnen. Dieser Prozess
+wird in aktuellen Grafikkarten durch spezielle Rechenkerne beschleunigt und ermöglicht so Raytracing in
+Echtzeit. Für jeden Schnittpunkt kann danach ein bestimmter Shader aufgerufen werden, um den Treffer zu
+verarbeiten, häufig wird jedoch nur der Treffer, der am nächsten zum Startpunkt des Strahls liegt
+beachtet.
+%
+\paragraph{Ray-Payload:} Die Informationen, die mit einem Strahl verknüpft sind. Diese sind frei definierbar 
+und beinhalten zum Beispiel die Farbe des getroffenen Objekts, oder lediglich eine Flag, die anzeigt ob 
+überhaupt ein Objekt getroffen wurde.
+%
+\paragraph{Schattenfühler:} Schattenfühler sind besondere Strahlen, die von einem Trefferpunkt eines Strahls
+in der Szene ausgesendet werden um zu prüfen, ob der getroffene Punkt von der Lichtquelle erreichbar ist.
+Somit lässt sich prüfen, ob ein Punkt von einer Lichtquelle aus im Schatten liegt oder nicht.
+%
+\paragraph{Stochastisches Raytracing:} Ein Sammelbegriff für Techniken, die statt eines Strahls mehrere
+zufälligen variierte Strahlen nutzt und den Mittelwert bildet.
+Um für einen Punkt eine korrekte Beleuchtung zu berechnen müssten
+theoretisch - der Rendergleichung folgend - unendlich viele Strahlen ausgesendet werden, um alle einfallenden
+Lichtstrahlen zurückzuverfolgen. Beim stochastischen Raytracing wird versucht, die Rendergleichung durch eine
+Monte-Carlo-Simulation anzunähern.
+
+
+

doc/Themenvorschlag/components/v2/problem.tex

+\section{Problem: Darstellung von Lichtschäften}
+Lichtschäfte lassen sich beobachten, wenn sich Licht an mikroskopisch kleinen Teilchen in einem Medium (z.B.
+Luft oder Wasser) in Richtung des Beobachters gebrochen wird. Wenn die Lichtquelle dazu verdeckt ist, d.h.
+wenn der Beobachter im Schatten steht, werden Lichtstrahlen sichtbar.
+Dieser Effekt lässt sich während der Morgen- und Abenddämmerung besonders gut an Wolken beobachten, wenn diese
+die Sonne verdecken. Auch Unterwasser oder wenn die Sonne in einen nebligen Wald schein lässt sich der Effekt
+beobachten. Der Effekt ist eindrucksoll und kann deswegen eine computergrafisch dargestellte Szene bereichern.\\
+%
+\begin{figure}[ht]
+    \centering
+    \includegraphics[width=0.9\textwidth]{data/images/Streuung2.png}
+    \caption{Darstellung der Lichtbrechung an Partikeln}
+\end{figure}
+%
+Der Effekt lässt sich recht einfach durch Rendern eines transparenten Objekts erzeugen. \\
+%
+Für die folgenden Überlegungen seien noch folgende Begriffe definiert:
+%
+\paragraph{Dichtes Medium:} Ein Medium, in dem viele Partikel vorhanden sind, die das Licht reflektieren und
+so zur Entstehung von Lichtschäften führen können. Dies kann zum Beispiel staubige Luft, Nebel, oder einfach
+Wasser sein. Das Medium wird durch ein Objekt in der Szene angenähert.
\ No newline at end of file

doc/Themenvorschlag/components/v2/umsetzung1.tex

+\section{Umsetzung mittels Sampling im Medium}
+%
+Dieser Algorithmus ist anscheinend z.B. in Minecraft RTX implementiert, jedoch noch nicht weiter
+beschrieben oder ausgearbeitet, daher lohnt sich die Überprüfung und Implementierung des Verfahrens.\\
+Ein möglicher Algorithmus zur Lösung des Problems besteht darin, beim Durchgang eines Strahls durch ein
+dichtes Medium mittels Schattenfühlern abzutasten, inwiefern der Strahl von der Lichtquelle aus erreichbar ist
+und daraufhin zu berechnen, wie viel Licht entlang des Strahls zum Beobachter zurückgeworfen wird. Das grobe
+Vorgehen ist das folgende:
+%
+\begin{enumerate}
+    \item Strahl trifft auf dichtes Medium
+          %
+          \begin{enumerate}
+              \item Der Eintrittspunkt wird in der Ray-Payload vermerkt.
+          \end{enumerate}
+          %
+    \item Strahl trifft auf anderes Objekt oder tritt aus dichtem Medium aus
+          \begin{enumerate}
+              \item Der Strahlenabschnitt innerhalb des dichten Mediums wird bestimmt.
+              \item Entlang dieses Abschnittes wird eine Zahl Schattenfühler ausgesendet.
+              \item Für jeden Treffer wird der Anteil des zurückgeworfenen Lichtes bestimmt und aufaddiert.
+          \end{enumerate}
+    \item Die anderen Trefferpunkte des Strahls werden behandelt, die Lichtberechnung für dahinterliegende
+          Objekte entsprechend ausgeführt und das Ergebnis um den vorher berechneten faktor aufgehellt.
+\end{enumerate}
+%
+\begin{figure}[ht]
+    \centering
+    \includegraphics*[width=0.9\textwidth]{data/images/Sampling.png}
+    \caption{Sampling der Lichtquelle beim Durchqueren eines Mediums}
+    \begin{tabular}{c|c}
+        Gelb             & Lichtquelle         \\
+        Schwarzer Balken & Objekt              \\
+        Grüne Strahlen   & gesampelte Strahlen \\
+        rote Strahlen    & Schattenfühler
+    \end{tabular}
+\end{figure}
+%
+Dabei ist natürlich vor allem auf die Performance zu achten. Je mehr Schattenfühler genutzt werden, desto
+genauer wird das Ergebnis, desto teurer wird jedoch auch die Berechnung. Auch die genaue Art der Verrechnung
+der einzelnen Samples muss bestimmt werden.
\ No newline at end of file

doc/Themenvorschlag/components/entwicklung.tex → doc/Themenvorschlag/components/v2/umsetzung2.tex

-\section{Entwicklung eines eigenen Algorithmus zur Darstellung von gestreutem Licht in dichten Medien}
-Abschließend soll noch ein eigener Algorithmus entwickelt werden, der Lichtstrahlen in dichten Medien rendern
-kann. Die Idee dabei ist, nicht den Trefferpunkt eines Strahls auszuwerten, sonden den Weg den
-er zurückgelegt hat. Dies könnte vor allem bei dichten Medien interessant sein (staubige/unreine Luft, oder
-Wasser), da dort Lichtschäfte entstehen können. Damit könnten Lichtschäfte mit vertretbarem Rechenaufwand und
-höherer Genauigkeit als beim Raymarching dargestellt werden. \\
-Der Grundaufbau ist ähnlich zum Photon-Mapping (welches wiederum dem Shadow-Mapping ähnelt):
-%
 \begin{itemize}
     \item Es werden Strahlen von der Lichtquelle aus in Richtung des dichten Mediums geschossen.
     \item Wenn ein Strahl in das Medium ein- und wieder austritt lässt sich ein Strahlenverlauf im Medium mit

doc/Themenvorschlag/document.tex

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 % \clearpage
 \pagenumbering{arabic}
 \input{components/preamble}
-\input{components/}
-% \input{components/grundlagen}
+\input{components/v2/grundlagen}
+\input{components/v2/problem.tex}
+\input{components/v2/umsetzung1.tex}
+\input{components/v2/umsetzung2.tex}
+\input{components/v2/quellen.tex}
+\input{components/v2/gliederung.tex}
 % \input{components/raytracing}
 % \input{components/implementierung}
 % \input{components/effekte}