Bidirectional Rendering of Vector Light Transport

On the foundations of many rendering algorithms it is the symmetry between the path traversed by light and its adjoint path starting from the camera. However, several effects, including polarization or ¿uorescence, break that symmetry, and are de¿ned only on the direction of light propagation. This reduces the applicability of bidirectional methods that exploit this symmetry for simulating effectively light transport. In this work, we focus on how to include these non-symmetric effects within a bidirectional rendering algorithm. We generalize the path integral to support the constraints imposed by non-symmetric light transport. Based on this theoretical framework, we propose modi¿cations on two bidirectional methods, namely bidirectional path tracing and photon mapping, extending them to support polarization and ¿uorescence, in both steady and transient stat

Progressive Transient Photon Beams

In this work, we introduce a novel algorithm for transient rendering in participating media. Our method is consistent, robust and is able to generate animations of time-resolved light transport featuring complex caustic light paths in media. We base our method on the observation that the spatial continuity provides an increased coverage of the temporal domain, and generalize photon beams to transient-state. We extend stead-state photon beam radiance estimates to include the temporal domain. Then, we develop a progressive variant of our approach which provably converges to the correct solution using finite memory by averaging independent realizations of the estimates with progressively reduced kernel bandwidths. We derive the optimal convergence rates accounting for space and time kernels, and demonstrate our method against previous consistent transient rendering methods for participating media

Second-Order Occlusion-Aware Volumetric Radiance Caching

We present a second-order gradient analysis of light transport in participating media and use this to develop an improved radiance caching algorithm for volumetric light transport. We adaptively sample and interpolate radiance from sparse points in the medium using a second-order Hessian-based error metric to determine when interpolation is appropriate. We derive our metric from each point's incoming light field, computed by using a proxy triangulation-based representation of the radiance reflected by the surrounding medium and geometry. We use this representation to efficiently compute the first- and second-order derivatives of the radiance at the cache points while accounting for occlusion changes. We also propose a self-contained two-dimensional model for light transport in media and use it to validate and analyze our approach, demonstrating that our method outperforms previous radiance caching algorithms both in terms of accurate derivative estimates and final radiance extrapolation. We generalize these findings to practical three-dimensional scenarios, where we show improved results while reducing computation time by up to 30\% compared to previous work

Modelo óptico basado en física de la atmósfera terrestre

Reproducir la apariencia de la atmósfera ha suscitado gran atención en el campo de los gráficos por computador desde sur orígenes, por su importancia como fondo y fuente de luz. Por ello, numerosos modelos han sido propuestos, con distintos niveles de granularidad y detalle en el modelo atmosférico. En este proyecto presentamos un modelo óptico atmosférico basado en física, que a diferencia del trabajo previo es capaz de reproducir las variaciones espacio-temporales en la atmósfera y su efecto en la apariencia del cielo. Para ello, desarrollamos un modelo detallado de composición atmosférica basado en datos obtenidos por la comunidad de Ciencias Atmosféricas, y lo mapeamos a un modelo óptico utilizable dentro del marco de la Transferencia Radiativa. Finalmente, integramos nuestro modelo en un renderizador con soporte para transporte en medios participativos, añadiendo un conjunto de técnicas recientes para acelerar los cálculos. Nuestro modelo es espectral, y es capaz de mostrar los cambios debido a diferente situación geográfica

A Radiative Transfer Framework for Spatially-Correlated Materials

We introduce a non-exponential radiative framework that takes into account the local spatial correlation of scattering particles in a medium. Most previous works in graphics have ignored this, assuming uncorrelated media with a uniform, random local distribution of particles. However, positive and negative correlation lead to slower- and faster-than-exponential attenuation respectively, which cannot be predicted by the Beer-Lambert law. As our results show, this has a major effect on extinction, and thus appearance. From recent advances in neutron transport, we first introduce our Extended Generalized Boltzmann Equation, and develop a general framework for light transport in correlated media. We lift the limitations of the original formulation, including an analysis of the boundary conditions, and present a model suitable for computer graphics, based on optical properties of the media and statistical distributions of scatterers. In addition, we present an analytic expression for transmittance in the case of positive correlation, and show how to incorporate it efficiently into a Monte Carlo renderer. We show results with a wide range of both positive and negative correlation, and demonstrate the differences compared to classic light transport

A Local Frequency Analysis of Light Scattering and Absorption

(presented at SIGGRAPH 2014)International audienceRendering participating media requires significant computation, but the effect of volumetric scattering is often eventually smooth. This article proposes an innovative analysis of absorption and scattering of local light fields in the Fourier domain and derives the corresponding set of operators on the covariance matrix of the power spectrum of the light field. This analysis brings an efficient prediction tool for the behavior of light along a light path in participating media. We leverage this analysis to derive proper frequency prediction metrics in 3D by combining per-light path information in the volume.We demonstrate the use of these metrics to significantly improve the convergence of a variety of existing methods for the simulation of multiple scattering in participating media. First, we propose an efficient computation of second derivatives of the fluence, to be used in methods like irradiance caching. Second, we derive proper filters and adaptive sample densities for image-space adaptive sampling and reconstruction. Third, we propose an adaptive sampling for the integration of scattered illumination to the camera. Finally, we improve the convergence of progressive photon beams by predicting where the radius of light gathering can stop decreasing. Light paths in participating media can be very complex. Our key contribution is to show that analyzing local light fields in the Fourier domain reveals the consistency of illumination in such media and provides a set of simple and useful rules to be used to accelerate existing global illumination methods.Une nouvelle analyse locale de la diffusion et de l'absorption de la lumière dans l'espace de Fourier est combinée avec le tracé de covariance et permet une estimation rapide du contenu fréquentiel local; cette approche permet l'amélioration de nombreux algorithmes de rendu de milieux participants tels que Progressive Photon Beams et l'integration d'effets de diffusion simple et l'échantillonnage et la reconstruction d'effets de simple diffusion simple en espace image

Artistic Path Space Editing of Physically Based Light Transport

Die Erzeugung realistischer Bilder ist ein wichtiges Ziel der Computergrafik, mit Anwendungen u.a. in der Spielfilmindustrie, Architektur und Medizin. Die physikalisch basierte Bildsynthese, welche in letzter Zeit anwendungsübergreifend weiten Anklang findet, bedient sich der numerischen Simulation des Lichttransports entlang durch die geometrische Optik vorgegebener Ausbreitungspfade; ein Modell, welches für übliche Szenen ausreicht, Photorealismus zu erzielen. Insgesamt gesehen ist heute das computergestützte Verfassen von Bildern und Animationen mit wohlgestalteter und theoretisch fundierter Schattierung stark vereinfacht. Allerdings ist bei der praktischen Umsetzung auch die Rücksichtnahme auf Details wie die Struktur des Ausgabegeräts wichtig und z.B. das Teilproblem der effizienten physikalisch basierten Bildsynthese in partizipierenden Medien ist noch weit davon entfernt, als gelöst zu gelten. Weiterhin ist die Bildsynthese als Teil eines weiteren Kontextes zu sehen: der effektiven Kommunikation von Ideen und Informationen. Seien es nun Form und Funktion eines Gebäudes, die medizinische Visualisierung einer Computertomografie oder aber die Stimmung einer Filmsequenz -- Botschaften in Form digitaler Bilder sind heutzutage omnipräsent. Leider hat die Verbreitung der -- auf Simulation ausgelegten -- Methodik der physikalisch basierten Bildsynthese generell zu einem Verlust intuitiver, feingestalteter und lokaler künstlerischer Kontrolle des finalen Bildinhalts geführt, welche in vorherigen, weniger strikten Paradigmen vorhanden war. Die Beiträge dieser Dissertation decken unterschiedliche Aspekte der Bildsynthese ab. Dies sind zunächst einmal die grundlegende Subpixel-Bildsynthese sowie effiziente Bildsyntheseverfahren für partizipierende Medien. Im Mittelpunkt der Arbeit stehen jedoch Ansätze zum effektiven visuellen Verständnis der Lichtausbreitung, die eine lokale künstlerische Einflussnahme ermöglichen und gleichzeitig auf globaler Ebene konsistente und glaubwürdige Ergebnisse erzielen. Hierbei ist die Kernidee, Visualisierung und Bearbeitung des Lichts direkt im alle möglichen Lichtpfade einschließenden "Pfadraum" durchzuführen. Dies steht im Gegensatz zu Verfahren nach Stand der Forschung, die entweder im Bildraum arbeiten oder auf bestimmte, isolierte Beleuchtungseffekte wie perfekte Spiegelungen, Schatten oder Kaustiken zugeschnitten sind. Die Erprobung der vorgestellten Verfahren hat gezeigt, dass mit ihnen real existierende Probleme der Bilderzeugung für Filmproduktionen gelöst werden können