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

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

Visibility-Based Optimizations for Image Synthesis

Katedra počítačové grafiky a interakce

Perceptually-motivated, interactive rendering and editing of global illumination

This thesis proposes several new perceptually-motivated techniques to synthesize, edit and enhance depiction of three-dimensional virtual scenes. Finding algorithms that fit the perceptually economic middle ground between artistic depiction and full physical simulation is the challenge taken in this work. First, we will present three interactive global illumination rendering approaches that are inspired by perception to efficiently depict important light transport. Those methods have in common to compute global illumination in large and fully dynamic scenes allowing for light, geometry, and material changes at interactive or real-time rates. Further, this thesis proposes a tool to edit reflections, that allows to bend physical laws to match artistic goals by exploiting perception. Finally, this work contributes a post-processing operator that depicts high contrast scenes in the same way as artists do, by simulating it "seen'; through a dynamic virtual human eye in real-time.Diese Arbeit stellt eine Anzahl von Algorithmen zur Synthese, Bearbeitung und verbesserten Darstellung von virtuellen drei-dimensionalen Szenen vor. Die Herausforderung liegt dabei in der Suche nach Ausgewogenheit zwischen korrekter physikalischer Berechnung und der künstlerischen, durch die Gesetze der menschlichen Wahrnehmung motivierten Praxis. Zunächst werden drei Verfahren zur Bild-Synthese mit globaler Beleuchtung vorgestellt, deren Gemeinsamkeit in der effizienten Handhabung großer und dynamischer virtueller Szenen liegt, in denen sich Geometrie, Materialen und Licht frei verändern lassen. Darauffolgend wird ein Werkzeug zum Editieren von Reflektionen in virtuellen Szenen das die menschliche Wahrnehmung ausnutzt um künstlerische Vorgaben umzusetzen, vorgestellt. Die Arbeit schließt mit einem Filter am Ende der Verarbeitungskette, der den wahrgenommen Kontrast in einem Bild erhöht, indem er die Entstehung von Glanzeffekten im menschlichen Auge nachbildet

Real-time Illumination and Visual Coherence for Photorealistic Augmented/Mixed Reality

A realistically inserted virtual object in the real-time physical environment is a desirable feature in augmented reality (AR) applications and mixed reality (MR) in general. This problem is considered a vital research area in computer graphics, a field that is experiencing ongoing discovery. The algorithms and methods used to obtain dynamic and real-time illumination measurement, estimating, and rendering of augmented reality scenes are utilized in many applications to achieve a realistic perception by humans. We cannot deny the powerful impact of the continuous development of computer vision and machine learning techniques accompanied by the original computer graphics and image processing methods to provide a significant range of novel AR/MR techniques. These techniques include methods for light source acquisition through image-based lighting or sampling, registering and estimating the lighting conditions, and composition of global illumination. In this review, we discussed the pipeline stages with the details elaborated about the methods and techniques that contributed to the development of providing a photo-realistic rendering, visual coherence, and interactive real-time illumination results in AR/MR

Visually pleasing real-time global illumination rendering for fully-dynamic scenes

Global illumination (GI) rendering plays a crucial role in the photo-realistic rendering of virtual scenes. With the rapid development of graphics hardware, GI has become increasingly attractive even for real-time applications nowadays. However, the computation of physically-correct global illumination is time-consuming and cannot achieve real-time, or even interactive performance. Although the realtime GI is possible using a solution based on precomputation, such a solution cannot deal with fully-dynamic scenes. This dissertation focuses on solving these problems by introducing visually pleasing real-time global illumination rendering for fully-dynamic scenes. To this end, we develop a set of novel algorithms and techniques for rendering global illumination effects using the graphics hardware. All these algorithms not only result in real-time or interactive performance, but also generate comparable quality to the previous works in off-line rendering. First, we present a novel implicit visibility technique to circumvent expensive visibility queries in hierarchical radiosity by evaluating the visibility implicitly. Thereafter, we focus on rendering visually plausible soft shadows, which is the most important GI effect caused by the visibility determination. Based on the pre-filtering shadowmapping theory, wesuccessively propose two real-time soft shadow mapping methods: "convolution soft shadow mapping" (CSSM) and "variance soft shadow mapping" (VSSM). Furthermore, we successfully apply our CSSM method in computing the shadow effects for indirect lighting. Finally, to explore the GI rendering in participating media, we investigate a novel technique to interactively render volume caustics in the single-scattering participating media.Das Rendern globaler Beleuchtung ist für die fotorealistische Darstellung virtueller Szenen von entscheidender Bedeutung. Dank der rapiden Entwicklung der Grafik-Hardware wird die globale Beleuchtung heutzutage sogar für Echtzeitanwendungen immer attraktiver. Trotz allem ist die Berechnung physikalisch korrekter globaler Beleuchtung zeitintensiv und interaktive Laufzeiten können mit "standard Hardware" noch nicht erzielt werden. Obwohl das Rendering auf der Grundlage von Vorberechnungen in Echtzeit möglich ist, kann ein solcher Ansatz nicht auf voll-dynamische Szenen angewendet werden. Diese Dissertation zielt darauf ab, das Problem der globalen Beleuchtungsberechnung durch Einführung von neuen Techniken für voll-dynamische Szenen in Echtzeit zu lösen. Dazu stellen wir eine Reihe neuer Algorithmen vor, die die Effekte der globaler Beleuchtung auf der Grafik-Hardware berechnen. All diese Algorithmen erzielen nicht nur Echtzeit bzw. interaktive Laufzeiten sondern liefern auch eine Qualität, die mit bisherigen offline Methoden vergleichbar ist. Zunächst präsentieren wir eine neue Technik zur Berechnung impliziter Sichtbarkeit, die aufwändige Sichbarkeitstests in hierarchischen Radiosity-Datenstrukturen vermeidet. Anschliessend stellen wir eine Methode vor, die weiche Schatten, ein wichtiger Effekt für die globale Beleuchtung, in Echtzeit berechnet. Auf der Grundlage der Theorie über vorgefilterten Schattenwurf, zeigen wir nacheinander zwei Echtzeitmethoden zur Berechnung weicher Schattenwürfe: "Convolution Soft Shadow Mapping" (CSSM) und "Variance Soft Shadow Mapping" (VSSM). Darüber hinaus wenden wir unsere CSSM-Methode auch erfolgreich auf den Schatteneffekt in der indirekten Beleuchtung an. Abschliessend präsentieren wir eine neue Methode zum interaktiven Rendern von Volumen-Kaustiken in einfach streuenden, halbtransparenten Medien

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

Visibility metrics and their applications in visually lossless image compression

Visibility metrics are image metrics that predict the probability that a human observer can detect differences between a pair of images. These metrics can provide localized information in the form of visibility maps, in which each value represents a probability of detection. An important application of the visibility metric is visually lossless image compression that aims at compressing a given image to the lowest fraction of bit per pixel while keeping the compression artifacts invisible at the same time. In previous works, most visibility metrics were modeled based on largely simplified assumptions and mathematical models of human visual systems. This approach generally fits well into experimental data measured with simple stimuli, such as Gabor patches. However, it cannot predict complex non-linear effects, such as contrast masking in natural images, particularly well. To predict visibility of image differences accurately, we collected the largest visibility dataset under fixed viewing conditions for calibrating existing visibility metrics and proposed a deep neural network-based visibility metric. We demonstrated in our experiments that the deep neural network-based visibility metric significantly outperformed existing visibility metrics. However, the deep neural network-based visibility metric cannot predict visibility under varying viewing conditions, such as display brightness and viewing distances that have great impacts on the visibility of distortions. To extend the deep neural network-based visibility metric to varying viewing conditions, we collected the largest visibility dataset under varying display brightness and viewing distances. We proposed incorporating white-box modules, in other words, luminance masking and viewing distance adaptation, into the black-box deep neural network, and we found that the combination of white-box modules and black-box deep neural networks could generalize our proposed visibility metric to varying viewing conditions. To demonstrate the application of our proposed deep neural network-based visibility metric to visually lossless image compression, we collected the visually lossless image compression dataset under fixed viewing conditions and significantly improved the deep neural network-based visibility metric's accuracy of predicting visually lossless image compression threshold by pre-training the visibility metric with a synthetic dataset generated by the state-of-the-art white-box visibility metric---HDR-VDP \cite{Mantiuk2011}. In a large-scale study of 1000 images, we found that with our improved visibility metric, we can save around 60\% to 70\% bits for visually lossless image compression encoding as compared to the default visually lossless quality level of 90. Because predicting image visibility and predicting image quality are closely related research topics, we also proposed a trained perceptually uniform transform for high dynamic range images and videos quality assessments by training a perceptual encoding function on a set of subjective quality assessment datasets. We have shown that when combining the trained perceptual encoding function with standard dynamic range image quality metrics, such as peak-signal-noise-ratio (PSNR), better performance was achieved compared to the untrained version

Experimental statistical channel modelling for advanced wireless communication systems in indoor environments

Draadloze communicatiesystemen voor mobiele telefonie en draadloos internet zijn onmisbaar geworden in het dagelijkse leven. De grootste troef van draadloze communicatie over bedrade communicatie is de toegenomen mobiliteit. Draadloze communicatie heeft evenwel ook één groot nadeel, namelijk de onzekerheid over de kwaliteit van de link tussen zender en ontvanger. Waar bedrade communicatie een doorgedreven ontwerp van het kanaal tussen zender en ontvanger (d.i. de kabel) toelaat, is het ontwerp van het draadloze kanaal (d.i. de omgeving) bijna onmogelijk. Desondanks kunnen wel modellen van de propagatie van draadloze signalen opgesteld worden voor verschillende types omgevingen. Deze modellen laten toe om de betrouwbaarheid en de performantie van een draadloze link in te schatten. Modellering van draadloze propagatie voor indooromgevingen is het algemeen onderwerp van dit proefschrift. De propagatiemodellering in dit proefschrift betreft drie types indooromgevingen, nl. industriële en kantooromgevingen, en de omgeving binnen in een voertuig. De modellering bestaat uit statistische modellen gebaseerd op veldmetingen in deze omgevingen. Verschillende parameters van draadloze signalen worden onderzocht, zoals de variabiliteit van het signaalvermogen met de afstand en in de tijd, het signaalbereik, de dispersie in het tijdsdomein, de dispersie in het spatiaal domein en het vermogensverlies bij propagatie van buiten naar binnen een voertuig