Efficient global illumination calculation for inverse lighting problems

La luz es un elemento clave en la manera en que percibimos y experimentamos nuestro entorno. Como tal, es un objeto mas a modelar en el proceso de diseño, de forma similar a como ocurre con las formas y los materiales. Las intenciones de iluminacion (LI) son los objetivos y restricciones que el diseñador pretende alcanzar en el proceso del diseño de iluminaci´on: ¿qué superficies se deben iluminar con luz natural y cuales con luz artificial?, ¿qué zonas deben estar en sombra?, ¿cuales son las intensidades maximas y mínimas permitidas? Satisfacer las LI consiste en encontrar la ubicacion, forma e intensidad adecuada de las fuentes luminosas. Este tipo de problemas se define como un problema inverso de iluminacion (ILP) que se resuelve con tecnicas de optimizacion. En el contexto anterior, el objetivo de esta tesis consiste en proponer metodos eficientes para resolver ILP. Este objetivo es motivado por la brecha percibida entre los problemas habituales de diseño de iluminacion y las herramientas computacionales existentes para su resolucion. Las herramientas desarrolladas por la industria se especializan en evaluar configuraciones de iluminacion previamente diseñadas, y las desarrolladas por la academia resuelven problemas relativamente sencillos a costos elevados. Las propuestas cubren distintos aspectos del proceso de optimizacion, que van desde la formulacion del problema a su resolucion. Estan desarrolladas para el caso en que las superficies poseen reflexion e iluminacion difusas y se basan en el calculo de una aproximacion de rango bajo de la matriz de radiosidad. Algunos resultados obtenidos son: el calculo acelerado de la radiosidad de la escena en una unidad de procesamiento gr´afico (GPU); el uso de la heuristica \201Cvariable neighborhood search\201D (VNS) para la resolucion de ILP; el planteo de una estructura multinivel para tratar ILP de forma escalonada; y el uso de tecnicas para optimizar la configuracion de filtros de luz. Otros resultados obtenidos se basan en la formulacion de las LI en funcion de la media y desviacion estandar de las radiosidades halladas. Se propone un metodo para generar LI que contengan esos parametros estadisticos, y otro metodo para acelerar su evaluacion. Con estos resultados se logran tiempos de respuesta interactivos. Por último, las tecnicas anteriores adolecen de una etapa de pre-cómputo relativamente costosa, por tanto se propone acelerar el calculo de la inversa de la matriz de radiosidad a partir de una muestra de factores de forma. Los métodos aquí presentados fueron publicados en seis articulos, tres de ellos en congresos internacionales y tres en revistas arbitradas.Light is a key element that influences the way we perceive and experience our environment. As such, light is an object to be modeled in the design process, as happens with the forms and materials. The lighting intentions (LI) are the objectives and constraints that designers want to achieve in the process of lighting design: which surfaces should be illuminated with natural and which with artificial light?, which surfaces should be in shadow?, which are the maximum and minimum intensities allowed? The fulfillment of the LI consists in finding the location, shape and intensity appropriate for the light sources. This problem is defined as an inverse lighting problem (ILP), solved by optimization techniques. In the above context, the aim of this thesis is the proposal of efficient methods to solve ILP. This objective is motivated by the perceived gap between the usual problems of lighting design, and the computational tools developed for its resolution. The tools developed by the industry specialize in evaluating previously designed lighting configurations, and those developed by the academia solve relatively simple problems at a high computational cost. The proposals cover several aspects of the optimization process, ranging from the formulation of the problem to its resolution. They are developed for the case in which the surfaces have Lambertian reflection and illumination, and are based on the calculation of a low rank approximation to the radiosity matrix. Some results are: rapid calculation of radiosity of the scene in a graphics processing unit (GPU), the use of heuristics “variable neighborhood search” (VNS) for solving ILP, the proposition of a multilevel structure to solve ILP in a stepwise approach, and the use of these techniques to optimize the configuration of light filters. Other results are based on the formulation of LI that use the mean and standard deviation of the radiosity values found. A method is proposed for generating LI containing these parameters, and another method is developed to speed up their evaluations. With these results we achieve interactive response times. Finally, the above techniques suffer from a costly pre-computing stage and therefore, a method is proposed to accelerate the calculation of the radiosity inverse matrix based on a sample of the form factors. The methods presented here were published in six articles, three of them at international conferences and three in peer reviewed journals

An empirical evaluation of document embeddings and similarity metrics for scientific articles

The comparison of documents—such as articles or patents search, bibliography recommendations systems, visualization of document collections, etc.—has a wide range of applications in several fields. One of the key tasks that such problems have in common is the evaluation of a similarity metric. Many such metrics have been proposed in the literature. Lately, deep learning techniques have gained a lot of popularity. However, it is difficult to analyze how those metrics perform against each other. In this paper, we present a systematic empirical evaluation of several of the most popular similarity metrics when applied to research articles. We analyze the results of those metrics in two ways, with a synthetic test that uses scientific papers and Ph.D. theses, and in a real-world scenario where we evaluate their ability to cluster papers from different areas of research.This research was funded by Project TIN2017-88515-C2-1-R funded by Ministerio de Economía y Competitividad, under MCIN/AEI/10.13039/501100011033/FEDER “A way to make Europe”.Peer ReviewedPostprint (published version

Enhancing detailed haptic relief for real-time interaction

The present document exposes a different approach for haptic rendering, defined as the simulation of force interactions to reproduce the sensation of surface relief in dense models. Current research shows open issues in timely haptic interaction involving large meshes, with several problems affecting performance and fidelity, and without a dominant technique to treat these issues properly. Relying in pure geometric collisions when rendering highly dense mesh models (hundreds of thousands of triangles) sensibly degrades haptic rates due to the sheer number of collisions that must be tracked between the mesh's faces and a haptic probe. Several bottlenecks were identified in order to enhance haptic performance: software architecture and data structures, collision detection, and accurate rendering of surface relief. To account for overall software architecture and data structures, it was derived a complete component framework for transforming standalone VR applications into full-fledged multi-threaded Collaborative Virtual Reality Environments (CVREs), after characterizing existing implementations into a feature-rich superset. Enhancements include: a scalable arbitrated peer-to-peer topology for scene sharing; multi-threaded components for graphics rendering, user interaction and network communications; a collaborative user interface model for session handling; and interchangeable user roles with multi-camera perspectives, avatar awareness and shared annotations. We validate the framework by converting the existing ALICE VR Navigator into a complete CVRE, showing good performance in collaborative manipulation of complex models. To specifically address collision detection computation, we derive a conformal algebra treatment for collisions among points, segments, areas, and volumes, based on collision detection in conformal R{4,1} (5D) space, and implemented in GPU for faster parallel queries. Results show orders of magnitude time reductions in collisions computations, allowing interactive rates. Finally, the main core of the research is the haptic rendering of surface mesostructure in large meshes. Initially, a method for surface haptic rendering was proposed, using image-based Hybrid Rugosity Mesostructures (HRMs) of per-face heightfield displacements and normalmaps layered on top of a simpler mesh, adding greater surface detail than actually present. Haptic perception is achieved modulating the haptic probe's force response using the HRM coat. A usability testbed framework was built to measure experimental performance with a common set tests, meshes and HRMs. Trial results show the goodness of the proposed technique, rendering accurate 3D surface detail at high sampling rates. This local per-face method is extended into a fast global approach for haptic rendering, building a mesostructure-based atlas of depth/normal textures (HyRMA), computed out of surface differences of the same mesh object at two different resolutions: original and simplified. For each triangle in the simplified mesh, an irregular prism is considered defined by the triangle's vertices and their normals. This prism completely covers the original mesh relief over the triangle. Depth distances and surfaces normals within each prism are warped from object volume space to orthogonal tangent space, by means of a novel and fast method for computing barycentric coordinates at the prism, and storing normals and relief in a sorted atlas. Haptic rendering is effected by colliding the probe against the atlas, and effecting a modulated force response at the haptic probe. The method is validated numerically, statistically and perceptually in user testing controlled trials, achieving accurate haptic sensation of large meshes' fine features at interactive rendering rates, with some minute loss of mesostructure detail.En aquesta tesi es presenta un novedós enfocament per a la percepció hàptica del relleu de models virtuals complexes mitjançant la simulació de les forces d'interacció entre la superfície i un element de contacte. La proposta contribueix a l'estat de l'art de la recerca en aquesta àrea incrementant l'eficiència i la fidelitat de la interacció hàptica amb grans malles de triangles. La detecció de col·lisions amb malles denses (centenars de milers de triangles) limita la velocitat de resposta hàptica degut al gran nombre d'avaluacions d'intersecció cara-dispositiu hàptic que s'han de realitzar. Es van identificar diferents alternatives per a incrementar el rendiment hàptic: arquitectures de software i estructures de dades específiques, algorismes de detecció de col·lisions i reproducció hàptica de relleu superficial. En aquesta tesi es presenten contribucions en alguns d'aquests aspectes. S'ha proposat una estructura completa de components per a transformar aplicacions de Realitat Virtual en Ambients Col·laboratius de Realitat Virtual (CRVEs) multithread en xarxa. L'arquitectura proposada inclou: una topologia escalable punt a punt per a compartir escenes; components multithread per a visualització gràfica, interacció amb usuaris i comunicació en xarxa; un model d'interfície d'usuari col·laboratiu per a la gestió de sessions; i rols intercanviables de l'usuari amb perspectives de múltiples càmeres, presència d'avatars i anotacions compartides. L'estructura s'ha validat convertint el navegador ALICE en un CVRE completament funcional, mostrant un bon rendiment en la manipulació col·laborativa de models complexes. Per a incrementar l'eficiència del càlcul de col·lisions, s'ha proposat un algorisme que treballa en un espai conforme R{4,1} (5D) que permet detectar col·lisions entre punts, segments, triangles i volums. Aquest algorisme s'ha implementat en GPU per obtenir una execució paral·lela més ràpida. Els resultats mostren reduccions en el temps de càlcul de col·lisions permetent interactivitat. Per a la percepció hàptica de malles complexes que modelen objectes rugosos, s'han proposat diferents algorismes i estructures de dades. Les denominades Mesoestructures Híbrides de Rugositat (HRM) permeten substituir els detalls geomètrics d'una cara (rugositats) per dues textures: de normals i d'alçades. La percepció hàptica s'aconsegueix modulant la força de resposta entre el dispositiu hàptic i la HRM. Els tests per avaluar experimentalment l'eficiència del càlcul de col·lisions i la percepció hàptica utilitzant HRM respecte a modelar les rugositats amb geometria, van mostrar que la tècnica proposada va ser encertada, permetent percebre detalls 3D correctes a altes tases de mostreig. El mètode es va estendre per a representar rugositats d'objectes. Es proposa substituir l'objecte per un model simplificat i un atles de mesoestructures en el que s'usen textures de normals i de relleus (HyRMA). Aquest atles s'obté a partir de la diferència en el detall de la superfície entre dos malles del mateix objecte: l'original i la simplificada. A partir d'un triangle de la malla simplificada es construeix un prisma, definit pels vèrtexs del triangle i les seves normals, que engloba el relleu de la malla original sobre el triangle. Les alçades i normals dins del prisma es transformen des de l'espai de volum a l'espai ortogonal tangent, amb mètode novedós i eficient que calcula les coordenades baricèntriques relatives al prisma, per a guardar el mapa de textures transformat en un atles ordenat. La percepció hàptica s'assoleix detectant les col·lisions entre el dispositiu hàptic i l'atles, i modulant la força de resposta d'acord al resultat de la col·lisió. El mètode s'ha validat numèricament, estadística i perceptual en tests amb usuaris, aconseguint una correcta i interactiva sensació tàctil dels objectes simulats mitjançant la mesoestructura de les mallesEn esta tesis se presenta un enfoque novedoso para la percepción háptica del relieve de modelos virtuales complejos mediante la simulación de las fuerzas de interacción entre la superficie y un elemento de contacto. La propuesta contribuye al estado del arte de investigación en este área incrementando la eficiencia y fidelidad de interacción háptica con grandes mallas de triángulos. La detección de colisiones con mallas geométricas densas (cientos de miles de triángulos) limita la velocidad de respuesta háptica debido al elevado número de evaluaciones de intersección cara-dispositivo háptico que deben realizarse. Se identificaron diferentes alternativas para incrementar el rendimiento háptico: arquitecturas de software y estructuras de datos específicas, algoritmos de detección de colisiones y reproducción háptica de relieve superficial. En esta tesis se presentan contribuciones en algunos de estos aspectos. Se ha propuesto una estructura completa de componentes para transformar aplicaciones aisladas de Realidad Virtual en Ambientes Colaborativos de Realidad Virtual (CRVEs) multithread en red. La arquitectura propuesta incluye: una topología escalable punto a punto para compartir escenas; componentes multithread para visualización gráfica, interacción con usuarios y comunicación en red; un modelo de interfaz de usuario colaborativo para la gestión de sesiones; y roles intercambiables del usuario con perspectivas de múltiples cámaras, presencia de avatares y anotaciones compartidas. La estructura se ha validado convirtiendo el navegador ALICE en un CVRE completamente funcional, mostrando un buen rendimiento en la manipulación colaborativa de modelos complejos. Para incrementar la eficiencia del cálculo de colisiones, se ha propuesto un algoritmo que trabaja en un espacio conforme R4,1 (5D) que permite detectar colisiones entre puntos, segmentos, triángulos y volúmenes. Este algoritmo se ha implementado en GPU a efectos de obtener una ejecución paralelamás rápida. Los resultadosmuestran reducciones en el tiempo de cálculo de colisiones permitiendo respuesta interactiva. Para la percepción háptica de mallas complejas que modelan objetos rugosos, se han propuesto diferentes algoritmos y estructuras de datos. Las denominadasMesoestructuras Híbridas de Rugosidad (HRM) permiten substituir los detalles geométricos de una cara (rugosidades) por una textura de normales y otra de alturas. La percepción háptica se consigue modulando la fuerza de respuesta entre el dispositivo háptico y la HRM. Los tests realizados para evaluar experimentalmente la eficiencia del cálculo de colisiones y la percepción háptica utilizando HRM respecto a modelar las rugosidades con geometría, mostraron que la técnica propuesta fue acertada, permitiendo percibir detalles 3D correctos a altas tasas de muestreo. Este método anterior es extendido a un procedimiento global para representar rugosidades de objetos. Para hacerlo se propone sustituir el objeto por un modelo simplificado y un atlas de mesostructuras usando texturas de normales y relieves (HyRMA). Este atlas se obtiene de la diferencia en detalle de superficie entre dos mallas del mismo objeto: la original y la simplificada. A partir de un triángulo de la malla simplificada se construye un prisma definido por los vértices del triángulo a lo largo de sus normales, que engloba completamente el relieve de la malla original sobre este triángulo. Las alturas y normales dentro de cada prisma se transforman del espacio de volumen al espacio ortoganal tangente, usando un método novedoso y eficiente que calcula las coordenadas baricéntricas relativas a cada prisma para guardar el mapa de texturas transformado en un atlas ordenado. La percepción háptica se consigue detectando directamente las colisiones entre el dispositivo háptico y el atlas, y modulando la fuerza de respuesta de acuerdo al resultado de la colisión. El procedmiento se ha validado numérica, estadística y perceptualmente en ensayos con usuarios, consiguiendo a tasas interactivas la correcta sensación táctil de los objetos simulados mediante la mesoestructura de las mallas, con alguna pérdida muy puntual de detall

Scientific History of Incipit in the period 2010-2016

Historial de la actividad científica y técnica del Instituto de Ciencias del Patrimonio (Incipit) del CSIC, basado en Santiago de Compostela, desde su fecha de creación (2010) hasta el año 2016. Se presentan la misión y las líneas de investigación del Incipit, centradas principalmente en el estudio de los procesos de patrimonialización y de valorización social del patrimonio cultural realizadas con una perspectiva transdisciplinar. Se relacionan las publicaciones, proyectos de investigación, actividades de ciencia pública, eventos de comunicación y productos de divulgación que su personal investigador ha producido a lo largo de estos años.General introduction to the Incipit. Presentation of the Research Line: Cultural Heritage Studies: Sub-Theme: Landscape Archaeology and Cultural Landscapes, Sub-theme: Heritagization Processes: Memory, Power and Ethnicity, Sub-theme: Socioeconomics of Cultural Heritage, Sub-theme: Archaeology of the Contemporary Past, Sub-theme: Material culture and formalization processes of cultural heritage. Scientific Contributions. Transfer of Knowledge. International Activities. Other Activities and Results. Scientific DisseminationN

Educational Technology and Related Education Conferences for June to December 2015

The 33rd edition of the conference list covers selected events that primarily focus on the use of technology in educational settings and on teaching, learning, and educational administration. Only listings until December 2015 are complete as dates, locations, or Internet addresses (URLs) were not available for a number of events held from January 2016 onward. In order to protect the privacy of individuals, only URLs are used in the listing as this enables readers of the list to obtain event information without submitting their e-mail addresses to anyone. A significant challenge during the assembly of this list is incomplete or conflicting information on websites and the lack of a link between conference websites from one year to the next