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

Modeling and real-time rendering of participating media using the GPU

Cette thèse traite de la modélisation, l'illumination et le rendu temps-réel de milieux participants à l'aide du GPU. Dans une première partie, nous commençons par développer une méthode de rendu de nappes de brouillard hétérogènes pour des scènes en extérieur. Le brouillard est modélisé horizontalement dans une base 2D de fonctions de Haar ou de fonctions B-Spline linéaires ou quadratiques, dont les coefficients peuvent être chargés depuis une textit{fogmap}, soit une carte de densité en niveaux de gris. Afin de donner au brouillard son épaisseur verticale, celui-ci est doté d'un coefficient d'atténuation en fonction de l'altitude, utilisé pour paramétrer la rapidité avec laquelle la densité diminue avec la distance au milieu selon l'axe Y. Afin de préparer le rendu temps-réel, nous appliquons une transformée en ondelettes sur la carte de densité du brouillard, afin d'en extraire une approximation grossière (base de fonctions B-Spline) et une série de couches de détails (bases d'ondelettes B-Spline), classés par fréquence.%Les détails sont ainsi classés selon leur fréquence et, additionnées, permettent de retrouver la carte de densité d'origine. Chacune de ces bases de fonctions 2D s'apparente à une grille de coefficients. Lors du rendu sur GPU, chacune de ces grilles est traversée pas à pas, case par case, depuis l'observateur jusqu'à la plus proche surface solide. Grâce à notre séparation des différentes fréquences de détails lors des pré-calculs, nous pouvons optimiser le rendu en ne visualisant que les détails les plus contributifs visuellement en avortant notre parcours de grille à une distance variable selon la fréquence. Nous présentons ensuite d'autres travaux concernant ce même type de brouillard : l'utilisation de la transformée en ondelettes pour représenter sa densité via une grille non-uniforme, la génération automatique de cartes de densité et son animation à base de fractales, et enfin un début d'illumination temps-réel du brouillard en simple diffusion. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à la modélisation, l'illumination en simple diffusion et au rendu temps-réel de fumée (sans simulation physique) sur GPU. Notre méthode s'inspire des Light Propagation Volumes (volume de propagation de lumière), une technique à l'origine uniquement destinée à la propagation de la lumière indirecte de manière complètement diffuse, après un premier rebond sur la géométrie. Nous l'adaptons pour l'éclairage direct, et l'illumination des surfaces et milieux participants en simple diffusion. Le milieu est fourni sous forme d'un ensemble de bases radiales (blobs), puis est transformé en un ensemble de voxels, ainsi que les surfaces solides, de manière à disposer d'une représentation commune. Par analogie aux LPV, nous introduisons un Occlusion Propagation Volume, dont nous nous servons, pour calculer l'intégrale de la densité optique entre chaque source et chaque autre cellule contenant soit un voxel du milieu, soit un voxel issu d'une surface. Cette étape est intégrée à la boucle de rendu, ce qui permet d'animer le milieu participant ainsi que les sources de lumière sans contrainte particulière. Nous simulons tous types d'ombres : dues au milieu ou aux surfaces, projetées sur le milieu ou les surfacesThis thesis deals with modeling, illuminating and rendering participating media in real-time using graphics hardware. In a first part, we begin by developing a method to render heterogeneous layers of fog for outdoor scenes. The medium is modeled horizontally using a 2D Haar or linear/quadratic B-Spline function basis, whose coefficients can be loaded from a fogmap, i.e. a grayscale density image. In order to give to the fog its vertical thickness, it is provided with a coefficient parameterizing the extinction of the density when the altitude to the fog increases. To prepare the rendering step, we apply a wavelet transform on the fog's density map, and extract a coarse approximation and a series of layers of details (B-Spline wavelet bases).These details are ordered according to their frequency and, when summed back together, can reconstitute the original density map. Each of these 2D function basis can be viewed as a grid of coefficients. At the rendering step on the GPU, each of these grids is traversed step by step, cell by cell, since the viewer's position to the nearest solid surface. Thanks to our separation of the different frequencies of details at the precomputations step, we can optimize the rendering by only visualizing details that contribute most to the final image and abort our grid traversal at a distance depending on the grid's frequency. We then present other works dealing with the same type of fog: the use of the wavelet transform to represent the fog's density in a non-uniform grid, the automatic generation of density maps and their animation based on Julia fractals, and finally a beginning of single-scattering illumination of the fog, where we are able to simulate shadows by the medium and the geometry. In a second time, we deal with modeling, illuminating and rendering full 3D single-scattering sampled media such as smoke (without physical simulation) on the GPU. Our method is inspired by light propagation volumes, a technique whose only purpose was, at the beginning, to propagate fully diffuse indirect lighting. We adapt it to direct lighting, and the illumination of both surfaces and participating media. The medium is provided under the form of a set of radial bases (blobs), and is then transformed into a set of voxels, together with solid surfaces, so that both entities can be manipulated more easily under a common form. By analogy to the LPV, we introduce an occlusion propagation volume, which we use to compute the integral of the optical density, between each source and each other cell containing a voxel either generated from the medium, or from a surface. This step is integrated into the rendering process, which allows to animate participating media and light sources without any further constraintPARIS-EST-Université (770839901) / SudocSudocFranceF