Hardware-supported cloth rendering

Many computer graphics applications involve rendering humans and their natural surroundings, which inevitably requires displaying textiles. To accurately resemble the appearance of e.g. clothing or furniture, reflection models are needed which are capable of modeling the highly complex reflection effects exhibited by textiles. This thesis focuses on generating realistic high quality images of textiles by developing suitable reflection models and introducing algorithms for illumination computation of cloth surfaces. As efficiency is essential for illumination computation, we additionally place great importance on exploiting graphics hardware to achieve high frame rates. To this end, we present a variety of hardware-accelerated methods to compute the illumination in textile micro geometry. We begin by showing how indirect illumination and shadows can be efficiently accounted for in heightfields, parametric surfaces, and triangle meshes. Using these methods, we can considerably speed up the computation of data structures like tabular bidirectional reflectance distribution functions (BRDFs) and bidirectional texture functions (BTFs), and also efficiently illuminate heightfield geometry and bump maps. Furthermore, we develop two shading models, which account for all important reflection properties exhibited by textiles. While the first model is suited for rendering textiles with general micro geometry, the second, based on volumetric textures, is specially tailored for rendering knitwear. To apply the second model e.g. to the triangle mesh of a garment, we finally introduce a new rendering algorithm for displaying semi-transparent volumetric textures at high interactive rates.Eine Vielzahl von Anwendungen in der Computergraphik schließen auch die Darstellung von Menschen und deren natürlicher Umgebung ein, was zwangsläufig auch die Darstellung von Textilien erfordert. Um beispielsweise das Aussehen von Bekleidung oder Möbeln genau zu erfassen, werden Reflexionsmodelle benötigt, die in der Lage sind, die hochkomplexen Reflexionseffekte von Textilien zu berücksichtigen. Der Schwerpunkt dieser Dissertation liegt in der Generierung qualitativ hochwertiger Bilder von Textilien, was wir durch die Entwicklung geeigneter Reflexionsmodelle und von Algorithmen zur Beleuchtungsberechnung an Stoffoberflächen ermöglichen. Da Effizienz essentiell für die Beleuchtungsberechnung ist, nutzen wir die Möglichkeiten von Graphikhardware aus, um hohe Bildwiederholraten zu erzielen. Hierfür legen wir eine Vielzahl von hardware-beschleunigten Methoden zur Beleuchtungsberechnung der Mikrogeometrie von Textilien vor. Zuerst zeigen wir, wie indirekte Beleuchtung und Schatten effizient in Höhenfeldern, parametrischen Flächen und Dreiecksnetzen berücksichtigt werden können. Mit Hilfe dieser Methoden kann die Berechnung von Datenstrukturen wie tabellarischer bidirectional reflectance distribution functions (BRDFs) und bidirectional texture functions (BTFs) erheblich beschleunigt, sowie die Beleuchtung von Höhenfeld-Geometrie und Bumpmaps effizient errechnet werden.Weiterhin entwickeln wir zwei Reflexionsmodelle, welche alle wichtigen Reflexionseigenschaften berücksichtigen, die Textilien aufweisen. Während das erste Modell sich zur Darstellung von Textilien mit allgemeiner Mikrogeometrie eignet, ist das zweite, welches auf volumetrischen Texturen basiert, speziell auf die Darstellung von Strickwaren zugeschnitten. Um das zweite Modell z.B. auf das Dreiecksnetz eines Bekleidungsstückes anzuwenden führen wir einen neuen Renderingalgorithmus für die Darstellung von semi-transparenten volumetrischen Texturen mit hohen Bildwiederholraten ein

Realtime ray tracing and interactive global illumination

One of the most sought-for goals in computer graphics is to generate "realism in real time". i.e. the generation of realistically looking images at realtime frame rates. Today, virtually all approaches towards realtime rendering use graphics hardware, which is based almost exclusively on triangle rasterization. Unfortunately, though this technology has seen tremendous progress over the last few years, for many applications it is currently reaching its limits in both model complexity, supported features, and achievable realism. An alternative to triangle rasterizations is the ray tracing algorithm, which is well-known for its higher flexibility, its generally higher achievable realism, and its superior scalability in both model size and compute power. However, ray tracing is also computationally demanding and thus so far is used almost exclusively for high-quality offline rendering tasks. This dissertation focuses on the question why ray tracing is likely to soon play a larger role for interactive applications, and how this scenario can be reached. To this end, we discuss the RTRT/OpenRT realtime ray tracing system, a software based ray tracing system that achieves interactive to realtime frame rates on todays commodity CPUs. In particular, we discuss the overall system design, the efficient implementation of the core ray tracing algorithms, techniques for handling dynamic scenes, an efficient parallelization framework, and an OpenGL-like low-level API. Taken together, these techniques form a complete realtime rendering engine that supports massively complex scenes, highley realistic and physically correct shading, and even physically based lighting simulation at interactive rates. In the last part of this thesis we then discuss the implications and potential of realtime ray tracing on global illumination, and how the availability of this new technology can be leveraged to finally achieve interactive global illumination - the physically correct simulation of light transport at interactive rates.Eines der wichtigsten Ziele der Computer-Graphik ist die Generierung von "Realismus in Echtzeit\u27; — die Erzeugung von realistisch wirkenden, computer- generierten Bildern in Echtzeit. Heutige Echtzeit-Graphikanwendungen werden derzeit zum überwiegenden Teil mit schneller Graphik-Hardware realisiert, welche zum aktuellen Stand der Technik fast ausschliesslich auf dem Dreiecksrasterisierungsalgorithmus basiert. Obwohl diese Rasterisierungstechnologie in den letzten Jahren zunehmend beeindruckende Fortschritte gemacht hat, stößt sie heutzutage zusehends an ihre Grenzen, speziell im Hinblick auf Modellkomplexität, unterstützte Beleuchtungseffekte, und erreichbaren Realismus. Eine Alternative zur Dreiecksrasterisierung ist das "Ray-Tracing\u27; (Stahl-Rückverfolgung), welches weithin bekannt ist für seine höhere Flexibilität, seinen im Großen und Ganzen höheren erreichbaren Realismus, und seine bessere Skalierbarkeit sowohl in Szenengröße als auch in Rechner-Kapazitäten. Allerdings ist Ray-Tracing ebenso bekannt für seinen hohen Rechenbedarf, und wird daher heutzutage fast ausschließlich für die hochqualitative, nichtinteraktive Bildsynthese benutzt. Diese Dissertation behandelt die Gründe warum Ray-Tracing in näherer Zukunft voraussichtlich eine größere Rolle für interaktive Graphikanwendungen spielen wird, und untersucht, wie dieses Szenario des Echtzeit Ray-Tracing erreicht werden kann. Hierfür stellen wir das RTRT/OpenRT Echtzeit Ray-Tracing System vor, ein software-basiertes Ray-Tracing System, welches es erlaubt, interaktive Performanz auf heutigen Standard-PC-Prozessoren zu erreichen. Speziell diskutieren wir das grundlegende System-Design, die effiziente Implementierung der Kern-Algorithmen, Techniken zur Unterstützung von dynamischen Szenen, ein effizientes Parallelisierungs-Framework, und eine OpenGL-ähnliche Anwendungsschnittstelle. In ihrer Gesamtheit formen diese Techniken ein komplettes Echtzeit-Rendering-System, welches es erlaubt, extrem komplexe Szenen, hochgradig realistische und physikalisch korrekte Effekte, und sogar physikalisch-basierte Beleuchtungssimulation interaktiv zu berechnen. Im letzten Teil der Dissertation behandeln wir dann die Implikationen und das Potential, welches Echtzeit Ray-Tracing für die Globale Beleuchtungssimulation bietet, und wie die Verfügbarkeit dieser neuen Technologie benutzt werden kann, um letztendlich auch Globale Belechtung — die physikalisch korrekte Simulation des Lichttransports — interaktiv zu berechnen