A Beam Tracing with Precise Antialiasing for Polyhedral Scenes

International audienceRay tracing is one of the most important rendering techniques used in computer graphics. A fundamental problem of classical ray tracers is the well-known aliasing. With small objects, or small shadows, aliasing becomes a crucial problem to solve. Beam tracers can be considered as an extension of classical ray tracers. They replace the concept of infinitesimal ray by that of beam but they are generally more complex than ray tracers. The new method presented in this paper is a high quality beam tracer that provides a robust and general antialiasing for polyhedral scenes. Compared to similar beam tracers, this method has some major advantages: - complex and expensive computations of conventional beam-object intersection are entirely avoided, so an extension to some non polyhedral scenes such as CSG ones is possible; - usual approximations or complex approaches for refraction computations are avoided. Moreover, this method is entirely compatible with the usual improvements of classical ray tracing (spatial subdivisions or hierarchical bounding volumes)

VISIBILITY DETERMINATION IN BEAM TRACING WITH APPLICATION TO REAL-TIME SOUND SIMULATION

The work presents some aspects of beam tracing technique used in sound simulation. Adaptive Frustum algorithm, which was designed for detecting obstacles via beam subdivision was reviewed from efficiency point of view as well asfor its accuracy. Some possible improvements are suggested, however, they donot fully solve the problems of using this algorithm in real-time applications.Improved algorithm implementation was tested on five scenes with differentcharacteristics and varying complexity

Lazy visibility evaluation for exact soft shadows

Présentation invitée de l'article du même nom publié en 2012 dans la revue Computer Graphics Forum.International audienceThis paper presents a novel approach to compute high quality and noise-free soft shadows using exact visibility computations. This work relies on a theoretical framework allowing to group lines according to the geometry they intersect. From this study, we derive a new algorithm encoding lazily the visibility from a polygon. Contrary to previous works on from-polygon visibility, our approach is very robust and straightforward to implement. We apply this algorithm to solve exactly and efficiently the visibility of an area light source from any point in a scene. As a consequence, results are not sensitive to noise, contrary to soft shadows methods based on area light source sampling. We demonstrate the reliability of our approach on different scenes and configurations

Theory and algorithms for efficient physically-based illumination

Realistic image synthesis is one of the central fields of study within computer graphics. This thesis treats efficient methods for simulating light transport in situations where the incident illumination is produced by non-pointlike area light sources and distant illumination described by environment maps. We describe novel theory and algorithms for physically-based lighting computations, and expose the design choices and tradeoffs on which the techniques are based. Two publications included in this thesis deal with precomputed light transport. These techniques produce interactive renderings of static scenes under dynamic illumination and full global illumination effects. This is achieved through sacrificing the ability to freely deform and move the objects in the scene. We present a comprehensive mathematical framework for precomputed light transport. The framework, which is given as an abstract operator equation that extends the well-known rendering equation, encompasses a significant amount of prior work as its special cases. We also present a particular method for rendering objects in low-frequency lighting environments, where increased efficiency is gained through the use of compactly supported function bases. Physically-based shadows from area and environmental light sources are an important factor in perceived image realism. We present two algorithms for shadow computation. The first technique computes shadows cast by low-frequency environmental illumination on animated objects at interactive rates without requiring difficult precomputation or a priori knowledge of the animations. Here the capability to animate is gained by forfeiting indirect illumination. Another novel shadow algorithm for off-line rendering significantly enhances a previous physically-based soft shadow technique by introducing an improved spatial hierarchy that alleviates redundant computations at the cost of using more memory. This thesis advances the state of the art in realistic image synthesis by introducing several algorithms that are more efficient than their predecessors. Furthermore, the theoretical contributions should enable the transfer of ideas from one particular application to others through abstract generalization of the underlying mathematical concepts.Tämä tutkimus käsittelee realististen kuvien syntetisointia tietokoneella tilanteissa, jossa virtuaalisen ympäristön valonlähteet ovat fysikaalisesti mielekkäitä. Fysikaalisella mielekkyydellä tarkoitetaan sitä, että valonlähteet eivät ole idealisoituja eli pistemäisiä, vaan joko tavanomaisia pinta-alallisia valoja tai kaukaisia ympäristövalokenttiä (environment maps). Väitöskirjassa esitetään uusia algoritmeja, jotka soveltuvat matemaattisesti perusteltujen valaistusapproksimaatioiden laskentaan erilaisissa käyttötilanteissa. Esilaskettu valonkuljetus on yleisnimi reaaliaikaisille menetelmille, jotka tuottavat kuvia staattisista ympäristöistä siten, että valaistus voi muuttua ajon aikana vapaasti ennalta määrätyissä rajoissa. Tässä työssä esitetään esilasketulle valonkuljetukselle kattava matemaattinen kehys, joka selittää erikoistapauksinaan suuren määrän aiempaa tutkimusta. Kehys annetaan abstraktin lineaarisen operaattoriyhtälön muodossa, ja se yleistää tunnettua kuvanmuodostusyhtälöä (rendering equation). Työssä esitetään myös esilasketun valonkuljetuksen algoritmi, joka parantaa aiempien vastaavien menetelmien tehokkuutta esittämällä valaistuksen funktiokannassa, jonka ominaisuuksien vuoksi ajonaikainen laskenta vähenee huomattavasti. Fysikaalisesti mielekkäät valonlähteet tuottavat pehmeäreunaisia varjoja. Työssä esitetään uusi algoritmi pehmeiden varjojen laskemiseksi liikkuville ja muotoaan muuttaville kappaleille, joita valaisee matalataajuinen ympäristövalokenttä. Useimmista aiemmista menetelmistä poiketen algoritmi ei vaadi esitietoa siitä, kuinka kappale voi muuttaa muotoaan ajon aikana. Muodonmuutoksen aiheuttaman suuren laskentakuorman vuoksi epäsuoraa valaistusta ei huomioida. Työssä esitetään myös toinen uusi algoritmi pehmeiden varjojen laskemiseksi, jossa aiemman varjotilavuuksiin (shadow volumes) perustuvan algoritmin tehokkuutta parannetaan merkittävästi uuden hierarkkisen avaruudellisen hakurakenteen avulla. Uusi rakenne vähentää epäoleellista laskentaa muistinkulutuksen kustannuksella. Työssä esitetään aiempaa tehokkaampia algoritmeja fysikaalisesti perustellun valaistuksen laskentaan. Niiden lisäksi työn esilaskettua valonkuljetusta koskevat teoreettiset tulokset yleistävät suuren joukon aiempaa tutkimusta ja mahdollistavat näin ideoiden siirron erityisalalta toiselle.reviewe

Efficient Methods for Computational Light Transport

En esta tesis presentamos contribuciones sobre distintos retos computacionales relacionados con transporte de luz. Los algoritmos que utilizan información sobre el transporte de luz están presentes en muchas aplicaciones de hoy en día, desde la generación de efectos visuales, a la detección de objetos en tiempo real. La luz es una valiosa fuente de información que nos permite entender y representar nuestro entorno, pero obtener y procesar esta información presenta muchos desafíos debido a la complejidad de las interacciones entre la luz y la materia. Esta tesis aporta contribuciones en este tema desde dos puntos de vista diferentes: algoritmos en estado estacionario, en los que se asume que la velocidad de la luz es infinita; y algoritmos en estado transitorio, que tratan la luz no solo en el dominio espacial, sino también en el temporal. Nuestras contribuciones en algoritmos estacionarios abordan problemas tanto en renderizado offline como en tiempo real. Nos enfocamos en la reducción de varianza para métodos offline,proponiendo un nuevo método para renderizado eficiente de medios participativos. En renderizado en tiempo real, abordamos las limitacionesde consumo de batería en dispositivos móviles proponiendo un sistema de renderizado que incrementa la eficiencia energética en aplicaciones gráficas en tiempo real. En el transporte de luz transitorio, formalizamos la simulación de este tipo transporte en este nuevo dominio, y presentamos nuevos algoritmos y métodos para muestreo eficiente para render transitorio. Finalmente, demostramos la utilidad de generar datos en este dominio, presentando un nuevo método para corregir interferencia multi-caminos en camaras Timeof- Flight, un problema patológico en el procesamiento de imágenes transitorias.n this thesis we present contributions to different challenges of computational light transport. Light transport algorithms are present in many modern applications, from image generation for visual effects to real-time object detection. Light is a rich source of information that allows us to understand and represent our surroundings, but obtaining and processing this information presents many challenges due to its complex interactions with matter. This thesis provides advances in this subject from two different perspectives: steady-state algorithms, where the speed of light is assumed infinite, and transient-state algorithms, which deal with light as it travels not only through space but also time. Our steady-state contributions address problems in both offline and real-time rendering. We target variance reduction in offline rendering by proposing a new efficient method for participating media rendering. In real-time rendering, we target energy constraints of mobile devices by proposing a power-efficient rendering framework for real-time graphics applications. In transient-state we first formalize light transport simulation under this domain, and present new efficient sampling methods and algorithms for transient rendering. We finally demonstrate the potential of simulated data to correct multipath interference in Time-of-Flight cameras, one of the pathological problems in transient imaging.<br /

The slicing extent technique for fast ray tracing

A new technique for image generation using ray tracing is introduced. The “Slicing Extent Technique” (SET) partitions object space with slicing planes perpendicular to all three axes. Planes are divided into two dimensional rectangular cells, which contain pointers to nearby objects. Cell size and the space between slices varies, and is determined by the objects’ locations and orientations. Unlike oct-tree and other space-partitioning methods, SET is not primarily concerned with dividing space into mutually exclusive volume elements (‘voxels’) and identifying objects within each voxel. Instead, SET is based on analysis of projections of objects onto slicing planes. In comparison to the existing space subdivision methods for ray tracing, SET avoids tree traversal and exhibit no anomalous behavior. There is no reorganization when new objects arrive. Preprocessing to create slices is inexpensive and produces a finely tuned filter mechanism which supports rapid ray tracing

Interactive global illumination on the CPU

Computing realistic physically-based global illumination in real-time remains one of the major goals in the fields of rendering and visualisation; one that has not yet been achieved due to its inherent computational complexity. This thesis focuses on CPU-based interactive global illumination approaches with an aim to develop generalisable hardware-agnostic algorithms. Interactive ray tracing is reliant on spatial and cache coherency to achieve interactive rates which conflicts with needs of global illumination solutions which require a large number of incoherent secondary rays to be computed. Methods that reduce the total number of rays that need to be processed, such as Selective rendering, were investigated to determine how best they can be utilised. The impact that selective rendering has on interactive ray tracing was analysed and quantified and two novel global illumination algorithms were developed, with the structured methodology used presented as a framework. Adaptive Inter- leaved Sampling, is a generalisable approach that combines interleaved sampling with an adaptive approach, which uses efficient component-specific adaptive guidance methods to drive the computation. Results of up to 11 frames per second were demonstrated for multiple components including participating media. Temporal Instant Caching, is a caching scheme for accelerating the computation of diffuse interreflections to interactive rates. This approach achieved frame rates exceeding 9 frames per second for the majority of scenes. Validation of the results for both approaches showed little perceptual difference when comparing against a gold-standard path-traced image. Further research into caching led to the development of a new wait-free data access control mechanism for sharing the irradiance cache among multiple rendering threads on a shared memory parallel system. By not serialising accesses to the shared data structure the irradiance values were shared among all the threads without any overhead or contention, when reading and writing simultaneously. This new approach achieved efficiencies between 77% and 92% for 8 threads when calculating static images and animations. This work demonstrates that, due to the flexibility of the CPU, CPU-based algorithms remain a valid and competitive choice for achieving global illumination interactively, and an alternative to the generally brute-force GPU-centric algorithms

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

Interactive mixed reality rendering in a distributed ray tracing framework

The recent availability of interactive ray tracing opened the way for new applications and for improving existing ones in terms of quality. Since today CPUs are still too slow for this purpose, the necessary computing power is obtained by connecting a number of machines and using distributed algorithms. Mixed reality rendering - the realm of convincingly combining real and virtual parts to a new composite scene - needs a powerful rendering method to obtain a photorealistic result. The ray tracing algorithm thus provides an excellent basis for photorealistic rendering and also advantages over other methods. It is worth to explore its abilities for interactive mixed reality rendering. This thesis shows the applicability of interactive ray tracing for mixed (MR) and augmented reality (AR) applications on the basis of the OpenRT framework. Two extensions to the OpenRT system are introduced and serve as basic building blocks: streaming video textures and in-shader AR view compositing. Streaming video textures allow for inclusion of the real world into interactive applications in terms of imagery. The AR view compositing mechanism is needed to fully exploit the advantages of modular shading in a ray tracer. A number of example applications from the entire spectrum of the Milgram Reality-Virtuality continuum illustrate the practical implications. An implementation of a classic AR scenario, inserting a virtual object into live video, shows how a differential rendering method can be used in combination with a custom build real-time lightprobe device to capture the incident light and include it into the rendering process to achieve convincing shading and shadows. Another field of mixed reality rendering is the insertion of real actors into a virtual scene in real-time. Two methods - video billboards and a live 3D visual hull reconstruction - are discussed. The implementation of live mixed reality systems is based on a number of technologies beside rendering and a comprehensive understanding of related methods and hardware is necessary. Large parts of this thesis hence deal with the discussion of technical implementations and design alternatives. A final summary discusses the benefits and drawbacks of interactive ray tracing for mixed reality rendering.Die Verfügbarkeit von interaktivem Ray-Tracing ebnet den Weg für neue Anwendungen, aber auch für die Verbesserung der Qualität bestehener Methoden. Da die heute verfügbaren CPUs noch zu langsam sind, ist es notwendig, mehrere Maschinen zu verbinden und verteilte Algorithmen zu verwenden. Mixed Reality Rendering - die Technik der überzeugenden Kombination von realen und synthetischen Teilen zu einer neuen Szene - braucht eine leistungsfähige Rendering-Methode um photorealistische Ergebnisse zu erzielen. Der Ray-Tracing-Algorithmus bietet hierfür eine exzellente Basis, aber auch Vorteile gegenüber anderen Methoden. Es ist naheliegend, die Möglichkeiten von Ray-Tracing für Mixed-Reality-Anwendungen zu erforschen. Diese Arbeit zeigt die Anwendbarkeit von interaktivem Ray-Tracing für Mixed-Reality (MR) und Augmented-Reality (AR) Anwendungen anhand des OpenRT-Systems. Zwei Erweiterungen dienen als Grundbausteine: Videotexturen und In-Shader AR View Compositing. Videotexturen erlauben die reale Welt in Form von Bildern in den Rendering-Prozess mit einzubeziehen. Der View-Compositing-Mechanismus is notwendig um die Modularität einen Ray-Tracers voll auszunutzen. Eine Reihe von Beispielanwendungen von beiden Enden des Milgramschen Reality-Virtuality-Kontinuums verdeutlichen die praktischen Aspekte. Eine Implementierung des klassischen AR-Szenarios, das Einfügen eines virtuellen Objektes in eine Live-Übertragung zeigt, wie mittels einer Differential Rendering Methode und einem selbstgebauten Gerät zur Erfassung des einfallenden Lichts realistische Beleuchtung und Schatten erzielt werden können. Ein anderer Anwendungsbereich ist das Einfügen einer realen Person in eine künstliche Szene. Hierzu werden zwei Methoden besprochen: Video-Billboards und eine interaktive 3D Rekonstruktion. Da die Implementierung von Mixed-Reality-Anwendungen Kentnisse und Verständnis einer ganzen Reihe von Technologien nebem dem eigentlichen Rendering voraus setzt, ist eine Diskussion der technischen Grundlagen ein wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit. Dies ist notwenig, um die Entscheidungen für bestimmte Designalternativen zu verstehen. Den Abschluss bildet eine Diskussion der Vor- und Nachteile von interaktivem Ray-Tracing für Mixed Reality Anwendungen