Anisotropic noise

Programmable graphics hardware makes it possible to generate procedural noise textures on the fly for interactive rendering. However, filtering and antialiasing procedural noise involves a tradeoff between aliasing artifacts and loss of detail. In this paper we present a technique, targeted at interactive applications, that provides high-quality anisotropic filtering for noise textures. We generate noise tiles directly in the frequency domain by partitioning the frequency domain into oriented subbands. We then compute weighted sums of the subband textures to accurately approximate noise with a desired spectrum. This allows us to achieve high-quality anisotropic filtering. Our approach is based solely on 2D textures, avoiding the memory overhead of techniques based on 3D noise tiles. We devise a technique to compensate for texture distortions to generate uniform noise on arbitrary meshes. We develop a GPU-based implementation of our technique that achieves similar rendering performance as state-of-the-art algorithms for procedural noise. In addition, it provides anisotropic filtering and achieves superior image quality.National Science Foundation (U.S.) (CAREER Award 0447561)Microsoft Research (New Faculty Fellowship)Alfred P. Sloan Foundation (Fellowship

Устранение алиасинга при нанесении текстуры на 3D-объекты в метое обратного трассирования

Пропонується метод нанесення векторних та растрових текстур з одночасним усуненням аліасінгу при синтезі зображення методом зворотного трасування. Враховується форма проекції пікселя на площину текстури. Суть методу полягає в знаходженні інтегральної суми кольорів, що попали в середину області сумування. Область сумування є апроксимацією реальної форми проекції пікселя на площину текстури. Розглянуті питання підвищення ефективності знаходження інтегрального кольору проекції пікселя.The method of vector and raster textures mapping is offered with the simultaneous removal of aliasing at the synthesis of image of the ray tracing a method. It is suggested to take into account the form of projection of pixel on the texture plane. Essence of method consists in finding of integral sum of colors which got in the middle of area of sad. An area of sad is approximation of the real form of pixel projection pixel on the texture plane. The questions of increase of efficiency of finding of integral color of projection of pixel are considered

Filtering Non-Linear Transfer Functions on Surfaces

International audienceApplying non-linear transfer functions and look-up tables to procedural functions (such as noise), surface attributes, or even surface geometry are common strategies used to enhance visual detail. Their simplicity and ability to mimic a wide range of realistic appearances have led to their adoption in many rendering problems. As with any textured or geometric detail, proper filtering is needed to reduce aliasing when viewed across a range of distances, but accurate and efficient transfer function filtering remains an open problem for several reasons: transfer functions are complex and non-linear, especially when mapped through procedural noise and/or geometry-dependent functions, and the effects of perspective and masking further complicate the filtering over a pixel's footprint. We accurately solve this problem by computing and sampling from specialized filtering distributions on the fly, yielding very fast performance. We investigate the case where the transfer function to filter is a color map applied to (macroscale) surface textures (like noise), as well as color maps applied according to (microscale) geometric details. We introduce a novel representation of a (potentially modulated) color map's distribution over pixel footprints using Gaussian statistics and, in the more complex case of high-resolution color mapped microsurface details, our filtering is view- and light-dependent, and capable of correctly handling masking and occlusion effects. Our approach can be generalized to filter other physical-based rendering quantities. We propose an application to shading with irradiance environment maps over large terrains. Our framework is also compatible with the case of transfer functions used to warp surface geometry, as long as the transformations can be represented with Gaussian statistics, leading to proper view- and light-dependent filtering results. Our results match ground truth and our solution is well suited to real-time applications, requires only a few lines of shader code (provided in supplemental material), is high performance, and has a negligible memory footprint

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

Improving Filtering for Computer Graphics

When drawing images onto a computer screen, the information in the scene is typically more detailed than can be displayed. Most objects, however, will not be close to the camera, so details have to be filtered out, or anti-aliased, when the objects are drawn on the screen. I describe new methods for filtering images and shapes with high fidelity while using computational resources as efficiently as possible. Vector graphics are everywhere, from drawing 3D polygons to 2D text and maps for navigation software. Because of its numerous applications, having a fast, high-quality rasterizer is important. I developed a method for analytically rasterizing shapes using wavelets. This approach allows me to produce accurate 2D rasterizations of images and 3D voxelizations of objects, which is the first step in 3D printing. I later improved my method to handle more filters. The resulting algorithm creates higher-quality images than commercial software such as Adobe Acrobat and is several times faster than the most highly optimized commercial products. The quality of texture filtering also has a dramatic impact on the quality of a rendered image. Textures are images that are applied to 3D surfaces, which typically cannot be mapped to the 2D space of an image without introducing distortions. For situations in which it is impossible to change the rendering pipeline, I developed a method for precomputing image filters over 3D surfaces. If I can also change the pipeline, I show that it is possible to improve the quality of texture sampling significantly in real-time rendering while using the same memory bandwidth as used in traditional methods

Hardware accelerated volume texturing.

The emergence of volume graphics, a sub field in computer graphics, has been evident for the last 15 years. Growing from scientific visualization problems, volume graphics has established itself as an important field in general computer graphics. However, the general graphics fraternity still favour the established surface graphics techniques. This is due to well founded and established techniques and a complete pipeline through software onto display hardware. This enables real-time applications to be constructed with ease and used by a wide range of end users due to the readily available graphics hardware adopted by many computer manufacturers. Volume graphics has traditionally been restricted to high-end systems due to the complexity involved with rendering volume datasets. Either specialised graphics hardware or powerful computers were required to generate images, many of these not in real-time. Although there have been specialised hardware solutions to the volume rendering problem, the adoption of the volume dataset as a primitive relies on end-users with commodity hardware being able to display images at interactive rates. The recent emergence of programmable consumer level graphics hardware is now allowing these platforms to compute volume rendering at interactive rates. Most of the work in this field is directed towards scientific visualisation. The work in this thesis addresses the issues in providing real-time volume graphics techniques to the general graphics community using commodity graphics hardware. Real-time texturing of volumetric data is explored as an important set of techniques in delivering volume datasets as a general graphics primitive. The main contributions of this work are; The introduction of efficient acceleration techniques; Interactive display of amorphous phenomena modelled outside an object defined in a volume dataset; Interactive procedural texture synthesis for volume data; 2D texturing techniques and extensions for volume data in real-time; A flexible surface detail mapping algorithm that removes many previous restrictions Parts of this work have been presented at the 4th International Workshop on Volume Graphics and also published in Volume Graphics 2005

Towards Predictive Rendering in Virtual Reality

The strive for generating predictive images, i.e., images representing radiometrically correct renditions of reality, has been a longstanding problem in computer graphics. The exactness of such images is extremely important for Virtual Reality applications like Virtual Prototyping, where users need to make decisions impacting large investments based on the simulated images. Unfortunately, generation of predictive imagery is still an unsolved problem due to manifold reasons, especially if real-time restrictions apply. First, existing scenes used for rendering are not modeled accurately enough to create predictive images. Second, even with huge computational efforts existing rendering algorithms are not able to produce radiometrically correct images. Third, current display devices need to convert rendered images into some low-dimensional color space, which prohibits display of radiometrically correct images. Overcoming these limitations is the focus of current state-of-the-art research. This thesis also contributes to this task. First, it briefly introduces the necessary background and identifies the steps required for real-time predictive image generation. Then, existing techniques targeting these steps are presented and their limitations are pointed out. To solve some of the remaining problems, novel techniques are proposed. They cover various steps in the predictive image generation process, ranging from accurate scene modeling over efficient data representation to high-quality, real-time rendering. A special focus of this thesis lays on real-time generation of predictive images using bidirectional texture functions (BTFs), i.e., very accurate representations for spatially varying surface materials. The techniques proposed by this thesis enable efficient handling of BTFs by compressing the huge amount of data contained in this material representation, applying them to geometric surfaces using texture and BTF synthesis techniques, and rendering BTF covered objects in real-time. Further approaches proposed in this thesis target inclusion of real-time global illumination effects or more efficient rendering using novel level-of-detail representations for geometric objects. Finally, this thesis assesses the rendering quality achievable with BTF materials, indicating a significant increase in realism but also confirming the remainder of problems to be solved to achieve truly predictive image generation

Improving Usability in Procedural Modeling

This work presents new approaches and algorithms for procedural modeling geared towards user convenience and improving usability, in order to increase artists’ productivity. Procedural models create geometry for 3D models from sets of rules. Existing approaches that allow to model trees, buildings, and terrain are reviewed and possible improvements are discussed. A new visual programming language for procedural modeling is discussed, where the user connects operators to visual programs called model graphs. These operators create geometry with textures, assign or evaluate variables or control the sequence of operations. When the user moves control points using the mouse in 3D space, the model graph is executed to change the geometry interactively. Thus, model graphs combine the creativity of freehand modeling with the power of programmed modeling while displaying the program structure more clearly than textbased approaches. Usability is increased as a result of these advantages. Also, an interactive editor for botanical trees is demonstrated. In contrast to previous tree modeling systems, we propose linking rules, parameters and geometry to semantic entities. This has the advantage that problems of associating parameters and instances are completely avoided. When an entity is clicked in the viewport, its parameters are displayed immediately, changes are applied to selected entities, and viewport editing operations are reflected in the parameter set. Furthermore, we store the entities in a hierarchical data structure and allow the user to activate recursive traversal via selection options for all editing operations. The user may choose to apply viewport or parameter changes to a single entity or many entities at once, and only the geometry for the affected entities needs to be updated. The proposed user interface simplifies the modeling process and increases productivity. Interactive editing approaches for 3D models often allow more precise control over a model than a global set of parameters that is used to generate a shape. However, usually scripted procedural modeling generates shapes directly from a fixed set of parameters, and interactive editing mostly uses a fixed set of tools. We propose to use scripts not only to generate models, but also for manipulating the models. A base script would set up the state of an object, and tool scripts would modify that state. The base script and the tool scripts generate geometry when necessary. Together, such a collection of scripts forms a template, and templates can be created for various types of objects. We examine how templates simplify the procedural modeling workflow by allowing for editing operations that are context-sensitive, flexible and powerful at the same time. Many algorithms have been published that produce geometry for fictional landscapes. There are algorithms which produce terrain with minimal setup time, allowing to adapt the level of detail as the user zooms into the landscape. However, these approaches lack plausible river networks, and algorithms that create eroded terrain with river networks require a user to supervise creation and minutes or hours of computation. In contrast to that, this work demonstrates an algorithm that creates terrain with plausible river networks and adaptive level of detail with no more than a few seconds of preprocessing. While the system can be configured using parameters, this text focuses on the algorithm that produces the rivers. However, integrating more tools for user-controlled editing of terrain would be possible.Verbesserung der Usability bei prozeduraler Modellierung Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, prozedurale Modellierung durch neue neue Ansätze und Algorithmen einfacher, bequemer und anwendungsfreundlicher zu machen, und damit die Produktivität der Künstler zu erhöhen. Diese Anforderungen werden häufig unter dem Stichwort Usability zusammengefasst. Prozedurale Modelle spezifizieren 3D-Modelle über Regeln. Existierende Ansätze für Bäume, Gebäude und Terrain werden untersucht und es werden mögliche Verbesserungen diskutiert. Eine neue visuelle Programmiersprache für prozedurale Modelle wird vorgestellt, bei der Operatoren zu Modellgraphen verschaltet werden. Die Operatoren erzeugen texturierte Geometrie, weisen Variablen zu und werten sie aus, oder sie steuern den Ablauf der Operationen. Wenn der Benutzer Kontrollpunkte im Viewport mit der Maus verschiebt, wird der Modellgraph ausgeführt, um interaktiv neue Geometrie für das Modell zu erzeugen. Modellgraphen kombinieren die kreativen Möglichkeiten des freihändigen Editierens mit der Mächtigkeit der prozeduralen Modellierung. Darüber hinaus sind Modellgraphen eine visuelle Programmiersprache und stellen die Struktur der Algorithmen deutlicher dar als textbasierte Programmiersprachen. Als Resultat dieser Verbesserungen erhöht sich die Usability. Ein interaktiver Editor für botanische Bäume wird ebenfalls vorgestellt. Im Gegensatz zu früheren Ansätzen schlagen wir vor, Regeln, Parameter und Geometrie zu semantischen Entitäten zu verschmelzen. Auf diese Weise werden Zuordnungsprobleme zwischen Parametern und deren Instanzen komplett vermieden. Wenn im Viewport eine Instanz angeklickt wird, werden sofort ihre Parameter angezeigt, alle Änderungen wirken sich direkt auf die betroffenen Instanzen aus, und Änderungen im Viewport werden sofort in den Parametern reflektiert. Darüber hinaus werden die Entitäten in einer hierarchischen Datenstruktur gespeichert und alle Änderungen können rekursiv auf der Hierarchie ausgeführt werden. Dem Benutzer werden Selektionsoptionen zur Verfügung gestellt, über die er Änderungen an den Parametern oder Änderungen im Viewport an einzelnen oder vielen Instanzen gleichzeitig vornehmen kann. Anschließend muss das System nur die Geometrie der betroffenen Instanzen aktualisieren. Auch hier ist das Ziel, das User Interface möglichst an den Bedürfnissen des Benutzers auszurichten, um Vereinfachungen und eine Erhöhung der Produktivität zu erreichen. Interaktive Editieransätze für 3D-Modelle erlauben häufig eine präzisere Kontrolle über ein Modell als ein globaler Parametersatz, der für die Erzeugung des Modells genutzt wird. Trotzdem erzeugen prozedurale Modellierskripte ihre Modelle meist direkt aus einem festen Parametersatz, während interaktive Tools meist mit hartkodierten Operationen arbeiten. Wir schlagen vor, Skripte nicht nur zur Erzeugung der Modelle zu verwenden, sondern auch um die erzeugten Modelle zu editieren. Ein Basisskript soll die Statusinformationen eines Objekts anlegen, während weitere Skripte diesen Status verändern und passende Geometrie erzeugen. Diese Skripte bilden dann ein Template zum Erzeugen einer Klasse von Objekten. Verschiedene Objekttypen können jeweils ihr eigenes Template haben. Wir zeigen, wie Templates den Workflow mit prozeduralen Modellen vereinfachen können, indem Operationen geschaffen werden, die gleichzeitig kontext-sensitiv, mächtig und flexibel sind. Es existiert eine Reihe von Verfahren, um Geometrie für synthetische Landschaften zu erzeugen. Ein Teil der Algorithmen erzeugt Geometrie mit minimaler Vorberechnung und erlaubt es, den Detailgrad der Landschaft interaktiv an die Perspektive anzupassen. Leider fehlen den so erzeugten Landschaften plausible Flussnetze. Algorithmen, die erodiertes Terrain mit Flussnetzen erzeugen, müssen aufwendig vom Benutzer überwacht werden und brauchen Minuten oder Stunden Rechenzeit. Im Gegensatz dazu stellen wir einen Algorithmus vor, der plausible Flussnetze erzeugt, während sich der Betrachter interaktiv durch die Szene bewegt. Das System kann über Parameter gesteuert werden, aber der Fokus liegt auf dem Algorithmus zur Erzeugung der Flüsse. Dennoch wäre es möglich, Tools zum benutzergesteuerten Editieren von Terrain zu integrieren