Methods for transform, analysis and rendering of complete light representations

Abstract

Recent advances in digital holography, optical engineering and computer graphics have opened up the possibility of full parallax, three dimensional displays. The premises of these rendering systems are however somewhat different from traditional imaging and video systems. Instead of rendering an image of the scene, the complete light distribution must be computed. In this thesis we discuss some different methods regarding processing and rendering of two well known full light representations: the light field and the hologram. A light field transform approach, based on matrix optics operators, is introduced. Thereafter we discuss the relationship between the light field and the hologram representations. The final part of the thesis is concerned with hologram and wave field synthesis. We present two different methods. First, a GPU accelerated approach to rendering point-based models is introduced. Thereafter, we develop a Fourier rendering approach capable of generating angular spectra of triangular mesh models.

Aktuelle Fortschritte in den Bereichen der digitalen Holographie, optischen Technik und Computergrafik ermöglichen die Entwicklung von vollwertigen 3D-Displays. Diese Systeme sind allerdings auf Eingangsdaten angewiesen, die sich von denen traditioneller Videosysteme unterscheiden. Anstatt für die Visualisierung ein zweidimensionales Abbild einer Szene zu erstellen, muss die vollständige Verteilung des Lichts berechnet werden. In dieser Dissertation betrachten wir verschiedene Methoden, um dies für zwei verschiedene gebräuchliche Darstellungen der Lichtverteilung zu erreichen: Lichtfeld und Hologramm. Wir stellen dafür zunächst eine Methode vor, die Operatoren der Strahlenoptik auf Lichtfelder anzuwenden, und diskutieren daraufhin, wie die Darstellung als Lichtfeld mit der Darstellung als Hologramm zusammenhängt. Abschliessend wird die praktische Berechnung von Hologrammen und Wellenfeldern behandelt, wobei wir zwei verschiedene Ansätze untersuchen. Im ersten Ansatz werden Wellenfelder aus punktbasierten Modellen von Objekten erzeugt, unter Einsatz moderner Grafikhardware zur Optimierung der Rechenzeit. Der zweite Ansatz, Fourier-Rendering, ermöglicht die Generierung von Hologrammen aus Oberflächen, die durch Dreiecksnetze beschrieben sind.