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 the beam steady-state radiance estimates to include the temporal domain. Then, we develop a progressive version of spatio-temporal density estimations, that converges to the correct solution with finite memory requirements by iteratively averaging several realizations of independent renders with a progressively reduced kernel bandwidth. 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

Progressive photon mapping for daylight redirecting components

AbstractDaylight redirecting components (DRCs) are characterised by complex transmissive and reflective behaviour that is difficult to predict accurately largely due to their highly directional scattering, and the caustics this produces. This paper examines the application of progressive photon mapping as a state of the art forward raytracing technique to efficiently simulate the behaviour of such DRCs, and how this approach can support architects in assessing their performance.Progressive photon mapping is an iterative variant of static photon mapping that effects noise reduction through accumulation of results, as well as a reduction in bias inherent to all density estimation methods by reducing the associated bandwidth at a predetermined rate. This not only results in simplified parametrisation for the user, but also provides a preview of the progressively refined simulation, thus making the tool accessible to non-experts as well.We demonstrate the effectiveness of this technique with an implementation based on the Radiancephoton mapping extension and a case study involving retroreflecting prismatic blinds as a representative DRC

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

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

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

Iluminación global mediante progressive instant radiosity

La generación de imágenes sintéticas por ordenador es una técnica fuertemente asentada hoy en día en industrias muy diversas, desde la producción cinematográfica a la arquitectura, pasando por los videojuegos y el diseño gráfico. En particular, la síntesis de imágenes fotorrorealistas es un campo de trabajo que recibe enorme atención debido a la complejidad del problema, ya que requiere una simulación físicamente correcta de todas las posibles interacciones de la luz con el medio. Los algoritmos más utilizados para abordar el problema están basados en el muestreo estocásticos de caminos lumínicos, y son capaces de aproximar el transporte de luz de una manera precisa, de modo que son capaces de generar imágenes sintéticas indistinguibles de la realidad. Sin embargo, estos algoritmos tienen un alto coste computacional y requieren tiempos de procesamiento muy largos para producir resultados libres del ruido (varianza) introducido como consecuencia de su naturaleza estocástica. Existe una variante de estos algoritmos estocásticos que aproximan la irradiancia dentro de una escena mediante luces virtuales, denominados instant radiosity. Estos algoritmos presentan una convergencia considerablemente más rápida a imágenes libres de ruido, lo que ha propiciado su adopción en sectores como la industrial del cine, de los videojuegos, así como en numerosos softwares de previsualización de CAD, en detrimiento de otras técnicas. No obstante, a pesar de que estas técnicas son capaces de dar resultados precisos, a menudo se les aplican aproximaciones sesgadas con el fin de evitar ciertos artefactos visuales que afectan fuertemente a la calidad visual de las imágenes producidas. De este modo, se introduce un compromiso entre la varianza y el sesgo introducido por las aproximaciones. En este trabajo proponemos un algoritmo progresivo de naturaleza consistente, que aunque sesgado, converge en el límite a una solución sin varianza y sesgo. Para ello, estudiamos los algoritmos existentes alrededor de la idea de many lights, analizando la varianza que produce los indeseables artefactos visuales, y evaluando qué métodos sesgados existen para reducir dicha varianza: clamping y blur en el dominio espacial. Después, proponemos aproximaciones progresivas que reducen el sesgo en cada iteración del algoritmo, de modo que convergen a una solución sin ruido o sesgo en el límite. Investigaremos las técnicas aplicadas en otras aproximaciones sesgadas de la iluminación global basadas en transporte estocástico de partículas, y las aplicamos en el contexto de la iluminación mediante luces virtuales. Finalmente, desarrollamos una implementación los algoritmos desarrollados y observamos su eficiencia en escenas reales, comparándolos con las técnicas preexistentes y planteando futuros caminos de trabajo

Computational Light Transport for Forward and Inverse Problems.

El transporte de luz computacional comprende todas las técnicas usadas para calcular el flujo de luz en una escena virtual. Su uso es ubicuo en distintas aplicaciones, desde entretenimiento y publicidad, hasta diseño de producto, ingeniería y arquitectura, incluyendo el generar datos validados para técnicas basadas en imagen por ordenador. Sin embargo, simular el transporte de luz de manera precisa es un proceso costoso. Como consecuencia, hay que establecer un balance entre la fidelidad de la simulación física y su coste computacional. Por ejemplo, es común asumir óptica geométrica o una velocidad de propagación de la luz infinita, o simplificar los modelos de reflectancia ignorando ciertos fenómenos. En esta tesis introducimos varias contribuciones a la simulación del transporte de luz, dirigidas tanto a mejorar la eficiencia del cálculo de la misma, como a expandir el rango de sus aplicaciones prácticas. Prestamos especial atención a remover la asunción de una velocidad de propagación infinita, generalizando el transporte de luz a su estado transitorio. Respecto a la mejora de eficiencia, presentamos un método para calcular el flujo de luz que incide directamente desde luminarias en un sistema de generación de imágenes por Monte Carlo, reduciendo significativamente la variancia de las imágenes resultantes usando el mismo tiempo de ejecución. Asimismo, introducimos una técnica basada en estimación de densidad en el estado transitorio, que permite reusar mejor las muestras temporales en un medio parcipativo. En el dominio de las aplicaciones, también introducimos dos nuevos usos del transporte de luz: Un modelo para simular un tipo especial de pigmentos gonicromáticos que exhiben apariencia perlescente, con el objetivo de proveer una forma de edición intuitiva para manufactura, y una técnica de imagen sin línea de visión directa usando información del tiempo de vuelo de la luz, construida sobre un modelo de propagación de la luz basado en ondas.<br /

Filtering Techniques for Low-Noise Previews of Interactive Stochastic Ray Tracing

Progressive stochastic ray tracing is increasingly used in interactive applications. Examples of such applications are interactive design reviews and digital content creation. This dissertation aims at advancing this development. For one thing, two filtering techniques are presented, which can generate fast and reliable previews of global illumination solutions. For another thing, a system architecture is presented, which supports exchangeable rendering back-ends in distributed rendering systems

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