Parallel hierarchical global illumination

Solving the global illumination problem is equivalent to determining the intensity of every wavelength of light in all directions at every point in a given scene. The complexity of the problem has led researchers to use approximation methods for solving the problem on serial computers. Rather than using an approximation method, such as backward ray tracing or radiosity, we have chosen to solve the Rendering Equation by direct simulation of light transport from the light sources. This paper presents an algorithm that solves the Rendering Equation to any desired accuracy, and can be run in parallel on distributed memory or shared memory computer systems with excellent scaling properties. It appears superior in both speed and physical correctness to recent published methods involving bidirectional ray tracing or hybrid treatments of diffuse and specular surfaces. Like progressive radiosity methods, it dynamically refines the geometry decomposition where required, but does so without the excessive storage requirements for ray histories. The algorithm, called Photon, produces a scene which converges to the global illumination solution. This amounts to a huge task for a 1997-vintage serial computer, but using the power of a parallel supercomputer significantly reduces the time required to generate a solution. Currently, Photon can be run on most parallel environments from a shared memory multiprocessor to a parallel supercomputer, as well as on clusters of heterogeneous workstations

Parallel Hierarchical Radiosity on Hybrid Platforms

The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007/s11227-011-0592-6[Abstract] Achieving an efficient realistic illumination is an important aim of research in computer graphics. In this paper a new parallel global illumination method for hybrid systems based on the hierarchical radiosity method is presented. Our solution allows the exploitation of systems that combine independent nodes with multiple cores per node. Thus, multiple nodes work in parallel in the computation of the global illumination for the same scene. Within each node, all the available computational cores are used through a shared-memory multithreading approach. The good results obtained in terms of speedup on several distributed-memory and shared-memory configurations show the versatility of our hybrid proposal.[Resumo] Acadar unha eficiente iluminación realista é un importante obxectivo no campo dos gráficos por computadora. Neste traballo preséntase un novo método de iluminación global paralelo para sistemas híbridos baseado no modelo de radiosidade jerárquica. A nosa solución permite a explotación de sistemas que combinen nodos de cómputo independentes con múltiples núcleos de execución en cada nodo. Deste xeito, varios nodos traballan en paralelo na computación da iluminación global dunha mesma escea. Dentro de cada nodo, todos os núcleos computacionais dispoñibles son aproveitados mediante unha aproximación multifío en memoria compartida. Os bos resultados obtidos en canto a aceleración en distintas configuracións de memoria compartida e distribuída dan mostra da versatilidade da nosa proposta híbrida.Xunta de Galicia; INCITE08PXIB105161PRMinisterio de Educación y Ciencia; MEC TIN 2010-16735Xunta de Galicia; 08TIC001206P

PHR: A parallel hierarchical radiosity system with dynamic load balancing

In this paper, we present a parallel system called PHR for computing hierarchical radiosity solutions of complex scenes. The system is targeted for multi-processor architectures with distributed memory. The system evaluates and subdivides the interactions level by level in a breadth first fashion, and the interactions are redistributed at the end of each level to keep load balanced. In order to allow interactions freely travel across processors, all the patch data is replicated on all the processors. Hence, the system favors load balancing at the expense of increased communication volume. However, the results show that the overhead of communication is negligible compared with total execution time. We obtained a speed-up of 25 for 32 processors in our test scenes. © 2005 Springer Science + Business Media, Inc

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 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

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