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A Discrete Radiosity Method
International audienceWe present a completely new principle of computation of radiosity values in a 3D scene. The method is based on a voxel approximation of the objects, and all occlusion calculations involve only integer arithmetics operation. The method is proved to converge. Some experimental results are presented
A Low Complexity Discrete Radiosity Method
International audienceRather than using Monte Carlo sampling techniques or patch projections to compute radiosity, it is possible to use a discretization of a scene into voxels and perform some discrete geometry calculus to quickly compute visibility information. In such a framework , the radiosity method may be as precise as a patch-based radiosity using hemicube computation for form-factors, but it lowers the overall theoretical complexity to an O(N log N) + O(N), where the O(N) is largely dominant in practice. Hence, the apparent complexity is linear for time and space, with respect to the number of voxels in the scene. This method does not require the storage of pre-computed form factors, since they are computed on the fly in an efficient way. The algorithm which is described does not use 3D discrete line traversal and is not similar to simple ray-tracing. In the present form, the voxel-based radiosity equation assumes the ideal diffuse case and uses solid angles similarly to the hemicube
Gravitational Lensing by Spinning Black Holes in Astrophysics, and in the Movie Interstellar
Interstellar is the first Hollywood movie to attempt depicting a black hole
as it would actually be seen by somebody nearby. For this we developed a code
called DNGR (Double Negative Gravitational Renderer) to solve the equations for
ray-bundle (light-beam) propagation through the curved spacetime of a spinning
(Kerr) black hole, and to render IMAX-quality, rapidly changing images. Our
ray-bundle techniques were crucial for achieving IMAX-quality smoothness
without flickering.
This paper has four purposes: (i) To describe DNGR for physicists and CGI
practitioners . (ii) To present the equations we use, when the camera is in
arbitrary motion at an arbitrary location near a Kerr black hole, for mapping
light sources to camera images via elliptical ray bundles. (iii) To describe
new insights, from DNGR, into gravitational lensing when the camera is near the
spinning black hole, rather than far away as in almost all prior studies. (iv)
To describe how the images of the black hole Gargantua and its accretion disk,
in the movie \emph{Interstellar}, were generated with DNGR. There are no new
astrophysical insights in this accretion-disk section of the paper, but disk
novices may find it pedagogically interesting, and movie buffs may find its
discussions of Interstellar interesting.Comment: 46 pages, 17 figure
Visualization of spectral images
Spectral image sensors provide images with a large number of contiguous spectral channels per pixel. Visualization of these huge data sets is not a straightforward issue. There are three principal ways in which spectral data can be presented; as spectra, as image and in feature space. This paper describes several visualization methods and their suitability in the different steps in the research cycle. Combinations of the three presentation methods and dynamic interaction between them, adds significant to the usability. Examples of some software implementations are given. Also the application of volume visualization methods to display spectral images is shown to be valuabl
Visualization and inspection of the geometry of particle packings
Gegenstand dieser Dissertation ist die Entwicklung von effizienten Verfahren zur Visualisierung und
Inspektion der Geometrie von Partikelmischungen. Um das Verhalten der Simulation für die
Partikelmischung besser zu verstehen und zu überwachen, sollten nicht nur die Partikel selbst, sondern auch
spezielle von den Partikeln gebildete Bereiche, die den Simulationsfortschritt und die räumliche Verteilung
von Hotspots anzeigen können, visualisiert werden können. Dies sollte auch bei großen Packungen mit
Millionen von Partikeln zumindest mit einer interaktiven Darstellungsgeschwindigkeit möglich sein. . Da
die Simulation auf der Grafikkarte (GPU) durchgeführt wird, sollten die Visualisierungstechniken die Daten
des GPU-Speichers vollständig nutzen.
Um die Qualität von trockenen Partikelmischungen wie Beton zu verbessern, wurde der
Korngrößenverteilung große Aufmerksamkeit gewidmet, die die Raumfüllungsrate hauptsächlich
beeinflusst und daher zwei der wichtigsten Eigenschaften des Betons bestimmt: die strukturelle Robustheit
und die Haltbarkeit. Anhand der Korngrößenverteilung kann die Raumfüllungsrate durch
Computersimulationen bestimmt werden, die analytischen Ansätzen in der Praxis wegen der breiten
Größenverteilung der Partikel oft überlegen sind. Eine der weit verbreiteten Simulationsmethoden ist das
Collective Rearrangement, bei dem die Partikel zunächst an zufälligen Positionen innerhalb eines Behälters
platziert werden. Später werden Überlappungen zwischen Partikeln aufgelöst, indem überlappende Partikel
voneinander weggedrückt werden. Durch geschickte Anpassung der Behältergröße während der Simulation,
kann die Collective Rearrangement-Methode am Ende eine ziemlich dichte Partikelpackung generieren.
Es ist jedoch sehr schwierig, den gesamten Simulationsprozess ohne ein interaktives Visualisierungstool zu
optimieren oder dort Fehler zu finden.
Ausgehend von der etablierten rasterisierungsbasierten Methode zum Darstellen einer großen Menge von
Kugeln, bietet diese Dissertation zunächst schnelle und pixelgenaue Methoden zur neuartigen
Visualisierung der Überlappungen und Freiräume zwischen kugelförmigen Partikeln innerhalb eines
Behälters.. Die auf Rasterisierung basierenden Verfahren funktionieren gut für kleinere Partikelpackungen
bis ca. eine Million Kugeln. Bei größeren Packungen entstehen Probleme durch die lineare Laufzeit und
den Speicherverbrauch. Zur Lösung dieses Problems werden neue Methoden mit Hilfe von Raytracing
zusammen mit zwei neuen Arten von Bounding-Volume-Hierarchien (BVHs) bereitgestellt. Diese können
den Raytracing-Prozess deutlich beschleunigen --- die erste kann die vorhandene Datenstruktur für die
Simulation wiederverwenden und die zweite ist speichereffizienter. Beide BVHs nutzen die Idee des Loose
Octree und sind die ersten ihrer Art, die die Größe von Primitiven für interaktives Raytracing mit häufig
aktualisierten Beschleunigungsdatenstrukturen berücksichtigen. Darüber hinaus können die
Visualisierungstechniken in dieser Dissertation auch angepasst werden, um Eigenschaften wie das
Volumen bestimmter Bereiche zu berechnen.
All diese Visualisierungstechniken werden dann auf den Fall nicht-sphärischer Partikel erweitert, bei denen
ein nicht-sphärisches Partikel durch ein starres System von Kugeln angenähert wird, um die vorhandene
kugelbasierte Simulation wiederverwenden zu können. Dazu wird auch eine neue GPU-basierte Methode
zum effizienten Füllen eines nicht-kugelförmigen Partikels mit polydispersen überlappenden Kugeln
vorgestellt, so dass ein Partikel mit weniger Kugeln gefüllt werden kann, ohne die Raumfüllungsrate zu
beeinträchtigen. Dies erleichtert sowohl die Simulation als auch die Visualisierung.
Basierend auf den Arbeiten in dieser Dissertation können ausgefeiltere Algorithmen entwickelt werden, um
großskalige nicht-sphärische Partikelmischungen effizienter zu visualisieren. Weiterhin kann in Zukunft
Hardware-Raytracing neuerer Grafikkarten anstelle des in dieser Dissertation eingesetzten Software-Raytracing verwendet werden. Die neuen Techniken können auch als Grundlage für die interaktive
Visualisierung anderer partikelbasierter Simulationen verwendet werden, bei denen spezielle Bereiche wie
Freiräume oder Überlappungen zwischen Partikeln relevant sind.The aim of this dissertation is to find efficient techniques for visualizing and inspecting the geometry of
particle packings. Simulations of such packings are used e.g. in material sciences to predict properties of
granular materials. To better understand and supervise the behavior of these simulations, not only the
particles themselves but also special areas formed by the particles that can show the progress of the
simulation and spatial distribution of hot spots, should be visualized. This should be possible with a frame
rate that allows interaction even for large scale packings with millions of particles. Moreover, given the
simulation is conducted in the GPU, the visualization techniques should take full use of the data in the GPU
memory.
To improve the performance of granular materials like concrete, considerable attention has been paid to the
particle size distribution, which is the main determinant for the space filling rate and therefore affects two
of the most important properties of the concrete: the structural robustness and the durability. Given the
particle size distribution, the space filling rate can be determined by computer simulations, which are often
superior to analytical approaches due to irregularities of particles and the wide range of size distribution in
practice. One of the widely adopted simulation methods is the collective rearrangement, for which particles
are first placed at random positions inside a container, later overlaps between particles will be resolved by
letting overlapped particles push away from each other to fill empty space in the container. By cleverly
adjusting the size of the container according to the process of the simulation, the collective rearrangement
method could get a pretty dense particle packing in the end. However, it is very hard to fine-tune or debug
the whole simulation process without an interactive visualization tool.
Starting from the well-established rasterization-based method to render spheres, this dissertation first
provides new fast and pixel-accurate methods to visualize the overlaps and free spaces between spherical
particles inside a container. The rasterization-based techniques perform well for small scale particle
packings but deteriorate for large scale packings due to the large memory requirements that are hard to be
approximated correctly in advance. To address this problem, new methods based on ray tracing are provided
along with two new kinds of bounding volume hierarchies (BVHs) to accelerate the ray tracing process ---
the first one can reuse the existing data structure for simulation and the second one is more memory efficient.
Both BVHs utilize the idea of loose octree and are the first of their kind to consider the size of primitives
for interactive ray tracing with frequently updated acceleration structures. Moreover, the visualization
techniques provided in this dissertation can also be adjusted to calculate properties such as volumes of the
specific areas.
All these visualization techniques are then extended to non-spherical particles, where a non-spherical
particle is approximated by a rigid system of spheres to reuse the existing simulation. To this end a new
GPU-based method is presented to fill a non-spherical particle with polydisperse possibly overlapping
spheres efficiently, so that a particle can be filled with fewer spheres without sacrificing the space filling
rate. This eases both simulation and visualization.
Based on approaches presented in this dissertation, more sophisticated algorithms can be developed to
visualize large scale non-spherical particle mixtures more efficiently. Besides, one can try to exploit the
hardware ray tracing of more recent graphic cards instead of maintaining the software ray tracing as in this
dissertation. The new techniques can also become the basis for interactively visualizing other particle-based
simulations, where special areas such as free space or overlaps between particles are of interest
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