A Unified Hierarchical Algorithm for Global Illumination with Scattering Volumes and Object Clusters

This paper presents a new radiosity algorithm that allows the simultaneous computation of energy exchanges between surface elements, scattering volume distributions, and groups of surfaces, or object clusters. The new technique is based on a hierarchical formulation of the zonal method, and efficiently integrates volumes and surfaces. In particular no initial linking stage is needed, even for inhomogeneous volumes, thanks to the construction of a global spatial hierarchy. An analogy between object clusters and scattering volumes results in a powerful clustering radiosity algorithm, with no initial linking between surfaces and fast computation of average visibility information through a cluster. We show that the accurate distribution of the energy emitted or received at the cluster level can produce even better results than isotropic clustering at a marginal cost. The resulting algorithm is fast and, more importantly, truly progressive as it allows the quick calculation of approximate solutions with a smooth convergence towards very accurate simulations

The Iray Light Transport Simulation and Rendering System

While ray tracing has become increasingly common and path tracing is well understood by now, a major challenge lies in crafting an easy-to-use and efficient system implementing these technologies. Following a purely physically-based paradigm while still allowing for artistic workflows, the Iray light transport simulation and rendering system allows for rendering complex scenes by the push of a button and thus makes accurate light transport simulation widely available. In this document we discuss the challenges and implementation choices that follow from our primary design decisions, demonstrating that such a rendering system can be made a practical, scalable, and efficient real-world application that has been adopted by various companies across many fields and is in use by many industry professionals today

Efficient Many-Light Rendering of Scenes with Participating Media

We present several approaches based on virtual lights that aim at capturing the light transport without compromising quality, and while preserving the elegance and efficiency of many-light rendering. By reformulating the integration scheme, we obtain two numerically efficient techniques; one tailored specifically for interactive, high-quality lighting on surfaces, and one for handling scenes with participating media

Efficient From-Point Visibility for Global Illumination in Virtual Scenes with Participating Media

Sichtbarkeitsbestimmung ist einer der fundamentalen Bausteine fotorealistischer Bildsynthese. Da die Berechnung der Sichtbarkeit allerdings äußerst kostspielig zu berechnen ist, wird nahezu die gesamte Berechnungszeit darauf verwendet. In dieser Arbeit stellen wir neue Methoden zur Speicherung, Berechnung und Approximation von Sichtbarkeit in Szenen mit streuenden Medien vor, die die Berechnung erheblich beschleunigen, dabei trotzdem qualitativ hochwertige und artefaktfreie Ergebnisse liefern

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

Realistic Visualization of Animated Virtual Cloth

Photo-realistic rendering of real-world objects is a broad research area with applications in various different areas, such as computer generated films, entertainment, e-commerce and so on. Within photo-realistic rendering, the rendering of cloth is a subarea which involves many important aspects, ranging from material surface reflection properties and macroscopic self-shadowing to animation sequence generation and compression. In this thesis, besides an introduction to the topic plus a broad overview of related work, different methods to handle major aspects of cloth rendering are described. Material surface reflection properties play an important part to reproduce the look & feel of materials, that is, to identify a material only by looking at it. The BTF (bidirectional texture function), as a function of viewing and illumination direction, is an appropriate representation of reflection properties. It captures effects caused by the mesostructure of a surface, like roughness, self-shadowing, occlusion, inter-reflections, subsurface scattering and color bleeding. Unfortunately a BTF data set of a material consists of hundreds to thousands of images, which exceeds current memory size of personal computers by far. This work describes the first usable method to efficiently compress and decompress a BTF data for rendering at interactive to real-time frame rates. It is based on PCA (principal component analysis) of the BTF data set. While preserving the important visual aspects of the BTF, the achieved compression rates allow the storage of several different data sets in main memory of consumer hardware, while maintaining a high rendering quality. Correct handling of complex illumination conditions plays another key role for the realistic appearance of cloth. Therefore, an upgrade of the BTF compression and rendering algorithm is described, which allows the support of distant direct HDR (high-dynamic-range) illumination stored in environment maps. To further enhance the appearance, macroscopic self-shadowing has to be taken into account. For the visualization of folds and the life-like 3D impression, these kind of shadows are absolutely necessary. This work describes two methods to compute these shadows. The first is seamlessly integrated into the illumination part of the rendering algorithm and optimized for static meshes. Furthermore, another method is proposed, which allows the handling of dynamic objects. It uses hardware-accelerated occlusion queries for the visibility determination. In contrast to other algorithms, the presented algorithm, despite its simplicity, is fast and produces less artifacts than other methods. As a plus, it incorporates changeable distant direct high-dynamic-range illumination. The human perception system is the main target of any computer graphics application and can also be treated as part of the rendering pipeline. Therefore, optimization of the rendering itself can be achieved by analyzing human perception of certain visual aspects in the image. As a part of this thesis, an experiment is introduced that evaluates human shadow perception to speedup shadow rendering and provides optimization approaches. Another subarea of cloth visualization in computer graphics is the animation of the cloth and avatars for presentations. This work also describes two new methods for automatic generation and compression of animation sequences. The first method to generate completely new, customizable animation sequences, is based on the concept of finding similarities in animation frames of a given basis sequence. Identifying these similarities allows jumps within the basis sequence to generate endless new sequences. Transmission of any animated 3D data over bandwidth-limited channels, like extended networks or to less powerful clients requires efficient compression schemes. The second method included in this thesis in the animation field is a geometry data compression scheme. Similar to the BTF compression, it uses PCA in combination with clustering algorithms to segment similar moving parts of the animated objects to achieve high compression rates in combination with a very exact reconstruction quality.Realistische Visualisierung von animierter virtueller Kleidung Das photorealistisches Rendering realer Gegenstände ist ein weites Forschungsfeld und hat Anwendungen in vielen Bereichen. Dazu zählen Computer generierte Filme (CGI), die Unterhaltungsindustrie und E-Commerce. Innerhalb dieses Forschungsbereiches ist das Rendern von photorealistischer Kleidung ein wichtiger Bestandteil. Hier reichen die wichtigen Aspekte, die es zu berücksichtigen gilt, von optischen Materialeigenschaften über makroskopische Selbstabschattung bis zur Animationsgenerierung und -kompression. In dieser Arbeit wird, neben der Einführung in das Thema, ein weiter Überblick über ähnlich gelagerte Arbeiten gegeben. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf den wichtigen Aspekten der virtuellen Kleidungsvisualisierung, die oben beschrieben wurden. Die optischen Reflektionseigenschaften von Materialoberflächen spielen eine wichtige Rolle, um das so genannte look & feel von Materialien zu charakterisieren. Hierbei kann ein Material vom Nutzer identifiziert werden, ohne dass er es direkt anfassen muss. Die BTF (bidirektionale Texturfunktion)ist eine Funktion die abhängig von der Blick- und Beleuchtungsrichtung ist. Daher ist sie eine angemessene Repräsentation von Reflektionseigenschaften. Sie enthält Effekte wie Rauheit, Selbstabschattungen, Verdeckungen, Interreflektionen, Streuung und Farbbluten, die durch die Mesostruktur der Oberfläche hervorgerufen werden. Leider besteht ein BTF Datensatz eines Materials aus hunderten oder tausenden von Bildern und sprengt damit herkömmliche Hauptspeicher in Computern bei weitem. Diese Arbeit beschreibt die erste praktikable Methode, um BTF Daten effizient zu komprimieren, zu speichern und für Echtzeitanwendungen zum Visualisieren wieder zu dekomprimieren. Die Methode basiert auf der Principal Component Analysis (PCA), die Daten nach Signifikanz ordnet. Während die PCA die entscheidenen visuellen Aspekte der BTF erhält, können mit ihrer Hilfe Kompressionsraten erzielt werden, die es erlauben mehrere BTF Materialien im Hauptspeicher eines Consumer PC zu verwalten. Dies erlaubt ein High-Quality Rendering. Korrektes Verwenden von komplexen Beleuchtungssituationen spielt eine weitere, wichtige Rolle, um Kleidung realistisch erscheinen zu lassen. Daher wird zudem eine Erweiterung des BTF Kompressions- und Renderingalgorithmuses erläutert, die den Einsatz von High-Dynamic Range (HDR) Beleuchtung erlaubt, die in environment maps gespeichert wird. Um die realistische Erscheinung der Kleidung weiter zu unterstützen, muss die makroskopische Selbstabschattung integriert werden. Für die Visualisierung von Falten und den lebensechten 3D Eindruck ist diese Art von Schatten absolut notwendig. Diese Arbeit beschreibt daher auch zwei Methoden, diese Schatten schnell und effizient zu berechnen. Die erste ist nahtlos in den Beleuchtungspart des obigen BTF Renderingalgorithmuses integriert und für statische Geometrien optimiert. Die zweite Methode behandelt dynamische Objekte. Dazu werden hardwarebeschleunigte Occlusion Queries verwendet, um die Sichtbarkeitsberechnung durchzuführen. Diese Methode ist einerseits simpel und leicht zu implementieren, anderseits ist sie schnell und produziert weniger Artefakte, als vergleichbare Methoden. Zusätzlich ist die Verwendung von veränderbarer, entfernter HDR Beleuchtung integriert. Das menschliche Wahrnehmungssystem ist das eigentliche Ziel jeglicher Anwendung in der Computergrafik und kann daher selbst als Teil einer erweiterten Rendering Pipeline gesehen werden. Daher kann das Rendering selbst optimiert werden, wenn man die menschliche Wahrnehmung verschiedener visueller Aspekte der berechneten Bilder analysiert. Teil der vorliegenden Arbeit ist die Beschreibung eines Experimentes, das menschliche Schattenwahrnehmung untersucht, um das Rendern der Schatten zu beschleunigen. Ein weiteres Teilgebiet der Kleidungsvisualisierung in der Computergrafik ist die Animation der Kleidung und von Avataren für Präsentationen. Diese Arbeit beschreibt zwei neue Methoden auf diesem Teilgebiet. Einmal ein Algorithmus, der für die automatische Generierung neuer Animationssequenzen verwendet werden kann und zum anderen einen Kompressionsalgorithmus für eben diese Sequenzen. Die automatische Generierung von völlig neuen, anpassbaren Animationen basiert auf dem Konzept der Ähnlichkeitssuche. Hierbei werden die einzelnen Schritte von gegebenen Basisanimationen auf Ähnlichkeiten hin untersucht, die zum Beispiel die Geschwindigkeiten einzelner Objektteile sein können. Die Identifizierung dieser Ähnlichkeiten erlaubt dann Sprünge innerhalb der Basissequenz, die dazu benutzt werden können, endlose, neue Sequenzen zu erzeugen. Die Übertragung von animierten 3D Daten über bandbreitenlimitierte Kanäle wie ausgedehnte Netzwerke, Mobilfunk oder zu sogenannten thin clients erfordert eine effiziente Komprimierung. Die zweite, in dieser Arbeit vorgestellte Methode, ist ein Kompressionsschema für Geometriedaten. Ähnlich wie bei der Kompression von BTF Daten wird die PCA in Verbindung mit Clustering benutzt, um die animierte Geometrie zu analysieren und in sich ähnlich bewegende Teile zu segmentieren. Diese erkannten Segmente lassen sich dann hoch komprimieren. Der Algorithmus arbeitet automatisch und erlaubt zudem eine sehr exakte Rekonstruktionsqualität nach der Dekomprimierung

A Final Reconstruction Approach for a Unified Global Illumination Algorithm

International audienceIn the past twenty years, many algorithms have been proposed to compute global illumination in synthetic scenes. Typically, such approaches can deal with specific lighting configurations, but often have difficulties with others. In this article, we present a final reconstruction step for a novel unified approach to global illumination, that automatically detects different types of light transfer and uses the appropriate method in a closely-integrated manner. With our approach, we can deal with difficult lighting configurations such as indirect nondiffuse illumination. The first step of this algorithm consists in a view-independent solution based on hierarchical radiosity with clustering, integrated with particle tracing. This first pass results in solutions containing directional effects such as caustics, which can be interactively rendered. The second step consists of a view-dependent final reconstruction that uses all existing information to compute higher quality, ray-traced images

Doctor of Philosophy

dissertationWhile boundary representations, such as nonuniform rational B-spline (NURBS) surfaces, have traditionally well served the needs of the modeling community, they have not seen widespread adoption among the wider engineering discipline. There is a common perception that NURBS are slow to evaluate and complex to implement. Whereas computer-aided design commonly deals with surfaces, the engineering community must deal with materials that have thickness. Traditional visualization techniques have avoided NURBS, and there has been little cross-talk between the rich spline approximation community and the larger engineering field. Recently there has been a strong desire to marry the modeling and analysis phases of the iterative design cycle, be it in car design, turbulent flow simulation around an airfoil, or lighting design. Research has demonstrated that employing a single representation throughout the cycle has key advantages. Furthermore, novel manufacturing techniques employing heterogeneous materials require the introduction of volumetric modeling representations. There is little question that fields such as scientific visualization and mechanical engineering could benefit from the powerful approximation properties of splines. In this dissertation, we remove several hurdles to the application of NURBS to problems in engineering and demonstrate how their unique properties can be leveraged to solve problems of interest