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Título: Análise comparativa de diferentes técnicas de iluminação volumétrica
Título(s) alternativo(s): Comparative analysis of different volumetric light techniques
Autor(es): Salles, Hadryan
Orientador(es): Silva, Ricardo Dutra da
Palavras-chave: Computação gráfica
Renderização (Computação gráfica)
Processamento de imagens
Luz - Simulação por computador
Computer graphics
Rendering (Computer graphics)
Image processing
Light - Computer simulation
Data do documento: 11-Jul-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: SALLES, Hadryan. Análise comparativa de diferentes técnicas de iluminação volumétrica. 2025. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia de Computação) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025.
Resumo: Neste trabalho foram implementados, analisados e comparados três métodos de renderização de luz volumétrica em tempo real, baseados em abordagens distintas: pós-processamento de imagem (Screen Space), subdivisão do espaço (Froxel) e geração geométrica (Polygonal). A luz volumétrica é um efeito ótico observado quando a luz, no caminho desde sua fonte até o observador, interage com partículas presentes no meio de transmissão, como poeira ou neblina, gerando feixes visíveis. Para realizar a comparação, foi desenvolvido um motor gráfico em C++ com a API Vulkan, capaz de renderizar cenas com malhas 3D e múltiplas luzes direcionais, aplicando os três métodos de iluminação volumétrica de forma intercambiável. A aplicação realiza automaticamente capturas de tela e registra métricas como tempo de renderização e uso de memória. O método baseado em pós-processamento de imagem simula o efeito com baixo custo computacional, mas apresenta limitações visuais, como falta de oclusão e artefatos de amostragem. O método Froxel divide o frustum da câmera em células 3D (froxels) e acumula luz ao longo do raio de visão usando texturas 3D e paralelismo em GPU, alcançando um bom equilíbrio entre desempenho e qualidade. O método Polygonal utiliza geometria gerada a partir do mapa de sombras para representar o volume de luz com alto detalhamento visual, mas com maior custo computacional e consumo de memória. Os resultados obtidos mostram que o método Froxel apresenta o melhor desempenho em tempo de execução e escalabilidade com a complexidade da cena, enquanto o método Polygonal alcança a melhor fidelidade visual em situações que permitem maior uso de recursos. Já o método de pós-processamento de imagem se destaca pela simplicidade de implementação e baixo uso de memória, sendo adequado para aplicações com restrições severas de hardware. Os três métodos foram avaliados de forma sistemática em múltiplas cenas, e o código-fonte completo, junto com os dados experimentais e cenas de teste, está disponível publicamente para reprodutibilidade e reutilização por outros pesquisadores.
Abstract: This work implements, analyzes, and compares three real-time volumetric lighting rendering methods based on distinct approaches: image post-processing (Screen Space), space subdivision (Froxel), and geometric generation (Polygonal). Volumetric lighting is an optical effect that occurs when light interacts with particles in the transmission medium, such as dust or fog, producing visible light beams. A graphics engine was developed in C++ using the Vulkan API, capable of rendering 3D mesh scenes with multiple directional lights and interchangeable volumetric lighting techniques. The application automatically captures screenshots and records metrics such as rendering time and memory usage. The image post-processing method offers low computational cost but suffers from visual limitations like lack of occlusion and sampling artifacts. The Froxel method subdivides the camera frustum into 3D cells (froxels), accumulating light along view rays using 3D textures and GPU parallelism, balancing performance and quality. The Polygonal method uses geometry generated from shadow maps to represent the light volume with high visual detail at a higher computational and memory cost. Results indicate that the Froxel method achieves the best runtime performance and scalability with scene complexity, while the Polygonal method delivers superior visual fidelity when resources allow. The image post-processing method stands out for implementation simplicity and low memory usage, suitable for hardwareconstrained scenarios. All three methods were systematically evaluated across multiple scenes, and the full source code, experimental data, and test scenes are publicly available to ensure reproducibility and facilitate further research.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39001
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