Técnicas de aceleración para el método de radiosidad jerárquica

[Resumen] Uno de los métodos que mejor modelan el comportamiento real de la luz en la búsqueda del realismo visual en imágenes construidas de forma sintética es el método de radiosidad. Este método presenta, sin embargo, el inconveniente de un alto coste computacional, tanto en tiempo de cálculo como en almacenamiento. Entre las numerosas variantes surgidas con el objetivo de rebajar la complejidad del método clásico destaca el método de radiosidad jerárquica, basado en la aplicación de una subdivisión adaptativa de la escena. El método de radiosidad jerárquica mantiene, no obstante, todavía una elevada complejidad que dificulta su explotación en escenas de gran tamaño. En este trabajo se han tratado de desarrollar nuevas soluciones para algunos de los diversos problemas que el método jerárquico de radiosidad plantea. El primer punto en el que se centra el trabajo es en la determinación de la visibilidad entre los distintos objetos de una escena (principal cuello de botella en un algoritmo de iluminación), analizando las principales soluciones existentes y proponiendo una nueva aproximación al problema, basada en aprovechar el principio de localidad en el espacio de direcciones de los rayos lanzados durante el proceso. Otro aspecto desarrollado en la tesis es la utilización de modelos geométricos de diferentes complejidades que permitan el tratamiento de escenas grandes con objetos detallados, independizando la correcta simulación de la distribución de la energía en la escena de la complejidad geométrica de los objetos que la componen. A este respecto se presenta una propuesta para el cálculo de la radiosidad jerárquica basada en el uso de esquemas de subdivisión de superficies. Por último, en esta tesis se propone una solución paralela para el aprovechamiento de sistemas distribuidos en la aplicación del método de radiosidad jerárquica en escenas de gran tamaño, realizando una distribución real de la geometría de la escena entre todas las memorias del sistema y con una aproximación multi-hilo para la ejecución, lo que va a permitir un mejor ajuste de la granularidad utilizada en la paralelización de las tareas.[Resumo] Uns dos métodos que mellor modelan o comportamento real da luz na búsqueda do realismo visual en imaxes construidas de forma sintética é o método de radiosidade. Este método presenta, sen embargo, a desvantaxe dun alto coste computacional, tanto en tempo de cálculo coma en almacenamento. Entre as numerosas variantes xurdidas co obxectivo de rebaixar a complexidade do método clásico sobresae o método de radiosidade xerárquica, baseado na aplicación dunha subdivisión adaptativa na escea. O método de radiosidade xerárquica mantén todavía, así a todo, unha elevada complexidade que dificulta a súa explotación en esceas de gran tamaño. Neste traballo tratáronse de desenvolver novas solucións para algúns dos diversos problemas plantexados polo método de radiosidade xerárquica. O primeiro punto ao que se presta atención no traballo é á determinación de visibilidade entre os distintos obxectos dunha escea (principal colo de botella nun algoritmo de iluminación), analizando as principais solucións existentes e propondo unha nova aproximación ao problema baseada no aproveitamento do principio de localidade no espazo de direccións dos raios lanzados durante o proceso. Outro aspecto desenvolvido na tese é a utilización de modelos xeométricos de diferente complexidad que permitan o tratamento de esceas grandes con obxectos moi detallados, independizando a correcta simulación da distribución da enerxía na escea da complexidade xeométrica dos obxectos que a compoñen. Ao respecto preséntase unha proposta para o cálculo da radiosidade xerárquica baseada no uso de esquemas de subdivisión de superficies. Por último, nesta tese proponse unha solución paralela para o aproveitamento de sistemas distribuidos na aplicación do método de radiosidade xerárquica en esceas de gran tamaño, facendo unha distribución real da xeometría da escea entre todas as memorias do sistema e cunha aproximación multi-fío na execución, o que vai permitir un mellor axuste da granularidade empregada na paralelización das tarefas.[Absract] Radiosity is one of the best methods in modelling the physical behaviour of light in a synthetic scene. However, the main drawback is the high requirements in terms of computational and storage costs. Hierarchical radiosity stands out among the different alternatives to reduce complexity in classic radiosity, applying an adaptive subdivision on scene. Hierarchical radiosity still presents, anyway, a high complexity that difficults to process really large scenes. In this work we have developed new solutions for several of the most common bottenecks presented in hierarchical radiosity. Our first goal is to accelerate visibility determination (most consuming task in global illumination), analysing the main existing solutions and proposing a new method based in taking advantage of directional coherence for the rays casted during process. Other aspect we have touched in the thesis is the use of multiresolution models that allow to work with very complex geometrical models in our input scene, isolating geometry detail and illumination detail. Specifically, we have developed a new method to compute hierarchical radiosity based on surface subdivision. Finally, a new parallel solution for computing hierarchical radiosity on multiprocessor systems, allowing huge input scenes is presented. The scene is totally distributed (geometrically and computationally) among the processors in our proposal, and a multi-thread implementation improves the flexibility in the granularity of the parallel execution

Information theoretic refinement criteria for image synthesis

Aquest treball està enmarcat en el context de gràfics per computador partint de la intersecció de tres camps: rendering, teoria de la informació, i complexitat.Inicialment, el concepte de complexitat d'una escena es analitzat considerant tres perspectives des d'un punt de vista de la visibilitat geomètrica: complexitat en un punt interior, complexitat d'una animació, i complexitat d'una regió. L'enfoc principal d'aquesta tesi és l'exploració i desenvolupament de nous criteris de refinament pel problema de la il·luminació global. Mesures de la teoria de la informació basades en la entropia de Shannon i en la entropia generalitzada de Harvda-Charvát-Tsallis, conjuntament amb les f-divergències, són analitzades com a nuclis del refinement. Mostrem com ens aporten una rica varietat d'eficients i altament discriminatòries mesures que són aplicables al rendering en els seus enfocs de pixel-driven (ray-tracing) i object-space (radiositat jeràrquica).Primerament, basat en la entropia de Shannon, es defineixen un conjunt de mesures de qualitat i contrast del pixel. S'apliquen al supersampling en ray-tracing com a criteris de refinement, obtenint un algorisme nou de sampleig adaptatiu basat en entropia, amb un alt rati de qualitat versus cost. En segon lloc, basat en la entropia generalitzada de Harvda-Charvát-Tsallis, i en la informació mutua generalitzada, es defineixen tres nous criteris de refinament per la radiositat jeràrquica. En correspondencia amb tres enfocs clàssics, es presenten els oracles basats en la informació transportada, el suavitzat de la informació, i la informació mutua, amb resultats molt significatius per aquest darrer. Finalment, tres membres de la familia de les f-divergències de Csiszár's (divergències de Kullback-Leibler, chi-square, and Hellinger) son analitzats com a criteris de refinament mostrant bons resultats tant pel ray-tracing com per la radiositat jeràrquica.This work is framed within the context of computer graphics starting out from the intersection of three fields: rendering, information theory, and complexity.Initially, the concept of scene complexity is analysed considering three perspectives from a geometric visibility point of view: complexity at an interior point, complexity of an animation, and complexity of a region. The main focus of this dissertation is the exploration and development of new refinement criteria for the global illumination problem. Information-theoretic measures based on Shannon entropy and Harvda-Charvát-Tsallis generalised entropy, together with f-divergences, are analysed as kernels of refinement. We show how they give us a rich variety of efficient and highly discriminative measures which are applicable to rendering in its pixel-driven (ray-tracing) and object-space (hierarchical radiosity) approaches.Firstly, based on Shannon entropy, a set of pixel quality and pixel contrast measures are defined. They are applied to supersampling in ray-tracing as refinement criteria, obtaining a new entropy-based adaptive sampling algorithm with a high rate quality versus cost. Secondly, based on Harvda-Charvát-Tsallis generalised entropy, and generalised mutual information, three new refinement criteria are defined for hierarchical radiosity. In correspondence with three classic approaches, oracles based on transported information, information smoothness, and mutual information are presented, with very significant results for the latter. And finally, three members of the family of Csiszár's f-divergences (Kullback-Leibler, chi-square, and Hellinger divergences) are analysed as refinement criteria showing good results for both ray-tracing and hierarchical radiosity