Fast and Accurate Wavelet Radiosity Computations Using High-End Platforms

Colloque avec actes et comité de lecture. internationale.International audienceIn this paper, we show how to fully exploit the capabilities of high--end SGI graphics and parallel machines to perform radiosity computations on scenes made of complex shapes both quickly and accurately. Overlapping multi--processing and multi--pipeline graphics accelerations on one hand, and incorporating recent research works on wavelet radiosity on the other hand, allows radiosity to become a practical tool for interactive design

Object Hierarchies for Efficient Rendering

This thesis covers the efficient visualization of complex 3d scenes using various rendering methods such as photo-realistic and real-time rendering. Especially the important role of bounding volume hierarchies is discussed in detail in the context of illumination and visibility algorithms. We present a novel approach for automatic generation of object hierarchies and apply the resulting data structure to several rendering techniques. In the field of ray tracing we describe a novel ray acceleration method that combines objects hierarchies and regular grids. We demonstrate how radiosity computations may benefit from available scene hierarchies to determine the radiant flux between object clusters. Finally, we present an adaptive interactive rendering algorithm that may dramatically reduce the number of visibility tests in an occlusion culling framework for interactive real-time visualization.Diese Dissertation untersucht unterschiedliche Verfahren zur effizienten Visualisierung grosser dreidimensionaler Szenengeometrien, sowohl im Bereich des Photorealismus wie auch bei der Echtzeit-Visualisierung. Hierbei wird insbesondere die Nützlichkeit von Hüllkörperhierarchien bei der Beleuchtungsrechnung und bei der Beantwortung von Sichtbarkeitsfragen herausgearbeitet. Ein neuartiges, kostenbasiertes Verfahren zur automatischen Konstruktion von Objekthierarchien wird präsentiert sowie dessen Anwendung für alle gängigen Darstellungsverfahren. Zusätzlich beschreibt diese Disseration im Bereich Ray Tracing ein neues Verfahren zur Szenenstrukturierung, welches die Vorteile von Hüllkörperhierarchien und regulären Gittern kombiniert. Im Bereich der Radiosity wird gezeigt, wie sich Szenenhierarchien ideal zur Berechnung des Lichtflusses zwischen Objekt-Clustern nutzen lassen und im Bereich Echtzeit-Rendering wird ein adaptives Verfahren vorgestellt, dass die Zahl teurer Sichtbarkeitstests beim Occlusion-Culling deutlich reduziert

Lancer de photons multi-passes et écrasement de photons pour le rendu optronique

La simulation de l'éclairage par illumination globale a fait l'objet de nombreuses recherches et applications au cours des dernières années. Tout d'abord utilisée dans le domaine visible, la simulation est aujourd'hui de plus en plus appliquée au rendu infrarouge. On appelle optronique l'union de ces deux domaines. Le problème principal des méthodes d'illumination globale actuelles provient de la difficulté à traiter le phénomène de diffusion de la lumière, aussi bien dans le cas des surfaces que des milieux participants. Ces méthodes offrent des résultats satisfaisants dans le cas de scènes simples, mais les performances s'effrondrent lorsque la complexité augmente. Dans la première partie de cette thèse, nous exposons la nécessité de la prise en compte des phénomènes de diffusion pour la simulation optronique. Dans la deuxième partie nous posons les équations qui unifient les différentes méthodes de synthèse d'image, c'est à dire l'équation du rendu et l'équation volumique du transfert radiatif. L'état de l'art des méthodes d'illumination globale présenté dans la troisième partie montre qu'à l'heure actuelle la méthode des cartes de photons est celle qui offre le meilleur compromis performance/qualité. Néanmoins, la qualité des résultats obtenus grâce à cette méthode est dépendante du nombre de photons qui peuvent être stockés et donc de la quantité de mémoire disponible. Dans la quatrième partie de la thèse, nous proposons une évolution de la méthode, le lancer de photons multi-passes, qui permet de lever cette dépendance mémoire, et ainsi d'obtenir une très grande qualité sans pour autant utiliser une configuration matérielle onéreuse. Un autre problème de la méthode des cartes de photons est le temps de calcul important nécessaire lors du rendu de milieux participants. Dans la cinquième et dernière partie de cette thèse, nous proposons une méthode, l'écrasement de photons volumique, qui prend avantage de l'estimation de densité pour reconstruire efficacement la luminance volumique à partir de la carte de photons. Notre idée est d'isoler le calcul de la diffusion et d'utiliser une approche duale de l'estimation de densité pour l'optimiser car il constitue la partie coûteuse du calcul. Bien que les temps de rendu obtenus par notre méthode sont meilleurs que ceux obtenus en utilisant la méthode des cartes de photons pour la même qualité, nous proposons aussi une optimisation de la méthode utilisant les nouvelles capacités des cartes graphiques.Much research have been done on global illumination simulation. Firstly used in the visible spectrum domain, today, simulation is more and more applied to infrared rendering. The union of these two domains is called optronic. The main problem of the current global illumination methods comes from the complexity of the light scattering phenomena, as well for surfaces as for participating media. These methods offer satisfactory results for simple scenes, but performances crash when complexity raises. In the first part of this thesis, we expose the necessity to take scattering phenomena into account for optronic simulation. In the second part, we pose the equations that unify all global illumination methods, i.e. the rendering equation and the volume radiative tranfer equation. The state of the art presented in the third part shows that the Photon Mapping method is, at this moment, the one that offers the better compromise between performance and quality. Nevertheless, the quality of the results obtained with this method depends on the number of photons that can be stocked, and then on the available memory. In the fourth part, we propose an evolution of the method, called Multipass Photon Mapping, which permits to get rid of this memory dependency, and hence, to achieve a great accuracy without using a costly harware configuration. Another problem inherent to Photon Mapping, is the enormous rendering time needed for participating media rendering. In the fifth and last part of this thesis, we propose a method, called Volume Photon Splatting, which takes advantage of density estimation to efficiently reconstruct volume radiance from the photon map. Our idea is to separate the computation of emission, absorption and out-scattering from the computation of in-scattering. Then we use a dual approach of density estimation to optimize this last part as it is the most computational expensive. Our method extends Photon Splatting, which optimizes the computation time of Photon Mapping for surface rendering, to participating media, and then considerably reduce participating media rendering times. Even though our method is faster than Photon Mapping for equal quality, we also propose a GPU based optimization of our algorithm

Efficient Object-Based Hierarchical Radiosity Methods

The efficient generation of photorealistic images is one of the main subjects in the field of computer graphics. In contrast to simple image generation which is directly supported by standard 3D graphics hardware, photorealistic image synthesis strongly adheres to the physics describing the flow of light in a given environment. By simulating the energy flow in a 3D scene global effects like shadows and inter-reflections can be rendered accurately. The hierarchical radiosity method is one way of computing the global illumination in a scene. Due to its limitation to purely diffuse surfaces solutions computed by this method are view independent and can be examined in real-time walkthroughs. Additionally, the physically based algorithm makes it well suited for lighting design and architectural visualization. The focus of this thesis is the application of object-oriented methods to the radiosity problem. By consequently keeping and using object information throughout all stages of the algorithms several contributions to the field of radiosity rendering could be made. By introducing a new meshing scheme, it is shown how curved objects can be treated efficiently by hierarchical radiosity algorithms. Using the same paradigm the radiosity computation can be distributed in a network of computers. A parallel implementation is presented that minimizes communication costs while obtaining an efficient speedup. Radiosity solutions for very large scenes became possible by the use of clustering algorithms. Groups of objects are combined to clusters to simulate the energy exchange on a higher abstraction level. It is shown how the clustering technique can be improved without loss in image quality by applying the same data-structure for both, the visibility computations and the efficient radiosity simulation.Eines der Schwerpunktthemen in der Computergraphik ist die effiziente Erzeugung von fotorealistischen Bildern. Im Gegensatz zur einfachen Bilderzeugung, die bereits durch gaengige 3D-Grafikhardware unterstuetzt wird, gehorcht die fotorealistische Bildsynthese physikalischen Gesetzen, die die Lichtausbreitung innerhalb einer bestimmten Umgebung beschreiben. Durch die Simulation der Energieausbreitung in einer dreidimensionalen Szene koennen globale Effekte wie Schatten und mehrfache Reflektionen wirklichkeitstreu dargestellt werden. Die hierarchische Radiositymethode (Hierarchical Radiosity) ist eine Moeglichkeit, um die globale Beleuchtung innerhalb einer Szene zu berechnen. Da diese Methode auf die Verwendung von rein diffus reflektierenden Oberflaechen beschraenkt ist, sind damit errechnete Loesungen blickwinkelunabhaengig und lassen sich in Echtzeit am Bildschirm durchwandern. Zudem ist dieser Algorithmus aufgrund der verwendeten physikalischen Grundlagen sehr gut zur Beleuchtungssimulation und Architekturvisualisierung geeignet. Den Schwerpunkt dieser Doktorarbeit stellt die Anwendung objektbasierter Methoden auf das Radiosityproblem dar. Durch konsequente Ausnutzung von Objektinformationen waehrend aller Berechnungsschritte konnten verschiedene Verbesserungen im Rahmen der hierarchischen Radiositymethode erzielt werden. Gekruemmte Objekte koennen aufgrund eines neuen Flaechenunterteilungsverfahrens nun effizient durch den hierarchischen Radiosityalgorithmus dargestellt werden. Dieses Verfahren ermoeglicht ebenso eine effiziente Parallelisierung des hierarchischen Radiosityalgorithmus. Es wird ein parallele Implementierung vorgestellt, die unter Minimierung der Kommunikationskosten eine effiziente Geschwindigkeitssteigerung erzielt. Radiosityberechnungen fuer sehr grosse Szenen sind nur durch Verwendung sogenannter Clustering-Algorithmen moeglich. Dabei werden Gruppen von Objekten zu Clustern kombiniert um den Energieaustausch zwischen Oberflaechen stellvertretend auf einem hoeheren Abstraktionsniveau durchzufuehren. Durch Verwendung derselben Datenstruktur fuer Sichtbarkeitsberechnungen und fuer die Steuerung der Radiositysimulation wird gezeigt, wie das Clusteringverfahren ohne Qualitaetsverluste verbessert werden kann

A Practical Analysis of Clustering Strategies for Hierarchical Radiosity

The calculation of radiant energy balance in complex scenes has been made possible by hierarchical radiosity methods based on clustering mechanisms. Although clustering offers an elegant theoretical solution by reducing the asymptotic complexity of the algorithm, its practical use raises many difficulties, and may result in image artifacts or unexpected behavior. This paper proposes a detailed analysis of the expectations placed on clustering and compares the relative merits of existing, as well as newly introduced, clustering algorithms. This comparison starts from the precise definition of various clustering strategies based on a taxonomy of data structures and construction algorithms, and proceeds to an experimental study of the clustering behavior for real-world scenes. Interestingly, we observe that for some scenes light is difficult to simulate even with clustering. Our results lead to a series of observations characterizing the adequacy of clustering methods for meeting ..