Radiation techniques for urban thermal simulation with the Finite Element Method

Modern societies are increasingly organized in cities. In the present times, more than half of the world’s population lives in urban settlements. In this context, architectural and building scale works have the need of extending their scope to the urban environment. One of the main challenges of these times is understanting all the thermal exchanges that happen in the city. The radiative part appears as the less developed one; its characterization and interaction with built structures has gained attention for building physics, architecture and environmental engineering. Providing a linkage between these areas, the emerging field of urban physics has become important for tackling studies of such nature. Urban thermal studies are intrinsically linked to multidisciplinary work approaches. Performing full-scale measurements is hard, and prototype models are difficult to develop. Therefore, computational simulations are essential in order to understand how the city behaves and to evaluate projected modifications. The methodological and algorithmic improvement of simulation is one of the mainlines of work for computational physics and many areas of computer science. The field of computer graphics has addressed the adaptation of rendering algorithms to daylighting using physically-based radiation models on architectural scenes. The Finite Element Method (FEM) has been widely used for thermal analysis. The maturity achieved by FEM software allows for treating very large models with a high geometrical detail and complexity. However, computing radiation exchanges in this context implies a hard computational challenge, and forces to push the limits of existing physical models. Computer graphics techniques can be adapted to FEM to estimate solar loads. In the thermal radiation range, the memory requirements for storing the interaction between the elements grows because all the urban surfaces become radiation sources. In this thesis, a FEM-based methodology for urban thermal analysis is presented. A set of radiation techniques (both for solar and thermal radiation) are developed and integrated into the FEM software Cast3m. Radiosity and ray tracing are used as the main algorithms for radiation computations. Several studies are performed for different city scenes. The FEM simulation results are com-pared with measured temperature results obtained by means of urban thermography. Post-processing techniques are used to obtain rendered thermograms, showing that the proposed methodology pro-duces accurate results for the cases analyzed. Moreover, its good computational performance allows for performing this kind of study using regular desktop PCs.Las sociedades modernas están cada vez más organizadas en ciudades. Más de la mitad de la población mundial vive en asentamientos urbanos en la actualidad. En este contexto, los trabajos a escala arquitectónica y de edificio deben extender su alcance al ambiente urbano. Uno de los mayores desafíos de estos tiempos consiste en entender todos los intercambios térmicos que suceden en la ciudad. La parte radiativa es la menos desarrollada; su caracterización y su interacción con edificaciones ha ganado la atención de la física de edificios, la arquitectura y la ingeniería ambiental. Como herramienta de conexión entre estas áreas, la física urbana es un área que resulta importante para atacar estudios de tal naturaleza. Los estudios térmicos urbanos están intrinsecamente asociados a trabajos multidisciplinarios. Llevar a cabo mediciones a escala real resulta difícil, y el desarrollo de prototipos de menor escala es complejo. Por lo tanto, la simulación computacional es esencial para entender el comportamiento de la ciudad y para evaluar modificaciones proyectadas. La mejora metodológica y algorítmica de las simulaciones es una de las mayores líneas de trabajo para la física computacional y muchas áreas de las ciencias de la computación. El área de la computación gráfica ha abordado la adaptación de algoritmos de rendering para cómputo de iluminación natural, utilizando modelos de radiación basados en la física y aplicándolos sobre escenas arquitectónicas. El Método de Elementos Finitos (MEF) ha sido ampliamente utilizado para análisis térmico. La madurez alcanzada por soluciones de software MEF permite tratar grandes modelos con un alto nivel de detalle y complejidad geométrica. Sin embargo, el cómputo del intercambio radiativo en este contexto implica un desafío computacional, y obliga a empujar los límites de las descripciones físicas conocidas. Algunas técnicas de computación gráfica pueden ser adaptadas a MEF para estimar las cargas solares. En el espectro de radiación térmica, los requisitos de memoria necesarios para almacenar la interacción entre los elementos crecen debido a que todas las superficies urbanas se transforman en fuentes emisoras de radiación. En esta tesis se presenta una metodología basada en MEF para el análisis térmico de escenas urbanas. Un conjunto de técnicas de radiación (para radiación solar y térmica) son desarrolladas e integradas en el software MEF Cast3m. Los algoritmos de radiosidad y ray tracing son utilizados para el cómputo radiativo. Se presentan varios estudios que utilizan diferentes modelos de ciudades. Los resultados obtenidos mediante MEF son comparados con temperaturas medidas por medio de termografías urbanas. Se utilizan técnicas de post-procesamiento para renderizar imágenes térmicas, que permiten concluir que la metodología propuesta produce resultados precisos para los casos analizados. Asimismo, su buen desempeño computacional posibilita realizar este tipo de estudios en computadoras personales

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

Theory and algorithms for efficient physically-based illumination

Realistic image synthesis is one of the central fields of study within computer graphics. This thesis treats efficient methods for simulating light transport in situations where the incident illumination is produced by non-pointlike area light sources and distant illumination described by environment maps. We describe novel theory and algorithms for physically-based lighting computations, and expose the design choices and tradeoffs on which the techniques are based. Two publications included in this thesis deal with precomputed light transport. These techniques produce interactive renderings of static scenes under dynamic illumination and full global illumination effects. This is achieved through sacrificing the ability to freely deform and move the objects in the scene. We present a comprehensive mathematical framework for precomputed light transport. The framework, which is given as an abstract operator equation that extends the well-known rendering equation, encompasses a significant amount of prior work as its special cases. We also present a particular method for rendering objects in low-frequency lighting environments, where increased efficiency is gained through the use of compactly supported function bases. Physically-based shadows from area and environmental light sources are an important factor in perceived image realism. We present two algorithms for shadow computation. The first technique computes shadows cast by low-frequency environmental illumination on animated objects at interactive rates without requiring difficult precomputation or a priori knowledge of the animations. Here the capability to animate is gained by forfeiting indirect illumination. Another novel shadow algorithm for off-line rendering significantly enhances a previous physically-based soft shadow technique by introducing an improved spatial hierarchy that alleviates redundant computations at the cost of using more memory. This thesis advances the state of the art in realistic image synthesis by introducing several algorithms that are more efficient than their predecessors. Furthermore, the theoretical contributions should enable the transfer of ideas from one particular application to others through abstract generalization of the underlying mathematical concepts.Tämä tutkimus käsittelee realististen kuvien syntetisointia tietokoneella tilanteissa, jossa virtuaalisen ympäristön valonlähteet ovat fysikaalisesti mielekkäitä. Fysikaalisella mielekkyydellä tarkoitetaan sitä, että valonlähteet eivät ole idealisoituja eli pistemäisiä, vaan joko tavanomaisia pinta-alallisia valoja tai kaukaisia ympäristövalokenttiä (environment maps). Väitöskirjassa esitetään uusia algoritmeja, jotka soveltuvat matemaattisesti perusteltujen valaistusapproksimaatioiden laskentaan erilaisissa käyttötilanteissa. Esilaskettu valonkuljetus on yleisnimi reaaliaikaisille menetelmille, jotka tuottavat kuvia staattisista ympäristöistä siten, että valaistus voi muuttua ajon aikana vapaasti ennalta määrätyissä rajoissa. Tässä työssä esitetään esilasketulle valonkuljetukselle kattava matemaattinen kehys, joka selittää erikoistapauksinaan suuren määrän aiempaa tutkimusta. Kehys annetaan abstraktin lineaarisen operaattoriyhtälön muodossa, ja se yleistää tunnettua kuvanmuodostusyhtälöä (rendering equation). Työssä esitetään myös esilasketun valonkuljetuksen algoritmi, joka parantaa aiempien vastaavien menetelmien tehokkuutta esittämällä valaistuksen funktiokannassa, jonka ominaisuuksien vuoksi ajonaikainen laskenta vähenee huomattavasti. Fysikaalisesti mielekkäät valonlähteet tuottavat pehmeäreunaisia varjoja. Työssä esitetään uusi algoritmi pehmeiden varjojen laskemiseksi liikkuville ja muotoaan muuttaville kappaleille, joita valaisee matalataajuinen ympäristövalokenttä. Useimmista aiemmista menetelmistä poiketen algoritmi ei vaadi esitietoa siitä, kuinka kappale voi muuttaa muotoaan ajon aikana. Muodonmuutoksen aiheuttaman suuren laskentakuorman vuoksi epäsuoraa valaistusta ei huomioida. Työssä esitetään myös toinen uusi algoritmi pehmeiden varjojen laskemiseksi, jossa aiemman varjotilavuuksiin (shadow volumes) perustuvan algoritmin tehokkuutta parannetaan merkittävästi uuden hierarkkisen avaruudellisen hakurakenteen avulla. Uusi rakenne vähentää epäoleellista laskentaa muistinkulutuksen kustannuksella. Työssä esitetään aiempaa tehokkaampia algoritmeja fysikaalisesti perustellun valaistuksen laskentaan. Niiden lisäksi työn esilaskettua valonkuljetusta koskevat teoreettiset tulokset yleistävät suuren joukon aiempaa tutkimusta ja mahdollistavat näin ideoiden siirron erityisalalta toiselle.reviewe

Innovative Ray Tracing Algorithms for Space Thermal Analysis

Pour mettre au point le système de contrôle thermique d’un engin spatial (satellite, sonde ou véhicule habité), l’ingénieur thermicien utilise des logiciels adaptés, tels qu’ESARAD et ESATAN, commercialisés par ALSTOM. Comme la composante radiative peut jouer un rôle prédominant, les logiciels utilisés contiennent fréquemment un algorithme de lancer de rayons pour calculer les facteurs de vue et facteurs d’échange radiatif entre des surfaces de dimensions finies, supposées isothermes. Les flux externes (solaires, albédo et infrarouge terrestres) sont également calculés par lancer de rayons. Enfin, les couplages conductifs sont habituellement encodés manuellement par l’utilisateur.Comme le lancer de rayons est basé sur un processus aléatoire, la précision atteinte est déterminée par le nombre de rayons lancés. En général, le choix de ce nombre de rayons est laissé à la discrétion de l’ingénieur, ce qui peut conduire à des erreurs. Un autre inconvénient du lancer de rayons est sa faible convergence. Une méthode d’accélération du lancer de rayons est nécessaire.Dans le cadre de la thèse, nous avons développé une méthode de lancer de rayons plus performante, que nous avons appelée hémisphère stratifié, caractérisée par une meilleure convergence. Un contrôle statistique d’erreur a été développé : l’utilisateur spécifie la précision souhaitée (définie par une erreur relative maximale et un intervalle de confiance) et l’algorithme adapte automatiquement le nombre de rayons en fonction de la configuration géométrique. Sur base de cette erreur géométrique, un système d’équations adjointes est utilisé pour obtenir une erreur énergétique, caractérisant les transferts de chaleur entre les surfaces.L’hémisphère stratifié est étendu de manière à inclure des fonctions de réflexion plus complexes. L’application des relations de réciprocité et de fermeture est également considérée. La méthode matricielle de Gebhart, qui permet de dériver les facteurs d’échange radiatifs des facteurs de vue, est étendue de manière à inclure des surfaces non-diffuses et non-isothermes.Pour accélérer le lancer de rayons, les intersections rayons-surfaces ont été soigneusement étudiées. Nous avons également développé une méthode qui combine les primitives géométriques avec des maillages éléments finis. La représentation tri-dimensionnelle du modèle géométrique est plus adaptée au calcul de la composante radiative du transfert thermique tandis que les maillages éléments finis sont plus adaptés au calcul de la conduction. Cette méthode fournit également une accélération du lancer de rayons. De plus, le lancer de rayons est effectué sur la géométrie exacte, ce qui est nécessaire si des réflexions spéculaires sont modélisées. Nous expliquons comment le lancer de rayons peut être effectué sur la géométrie exacte et comment les facteurs de vue résultants peuvent être projetés sur les éléments finis. Nous définissons la notion de facteur de vue élément fini en calculant les facteurs de vue aux noeuds et en les interpolant sur l’élément fini au moyen des fonctions de forme. Ces facteurs de vue élément fini sont utilisés pour lier radiativement les noeuds du modèle. Comme le champ de température est projeté sur les fonctions de forme, nous obtenons des éléments non-isothermes, contrairement aux résultats de la méthode Thermal Lumped Parameter (différences finies) utilisée habituellement en thermique spatiale.Les liens conductifs sont calculés automatiquement sur base du maillage éléments finis.Toutes ces améliorations résultent dans un algorithme plus rapide que le programme de référence ESARAD (pour une précision équivalente) et qui fonctionne avec un petit nombre de paramètres définis par l’utilisateur.Pour valider l’algorithme proposé, le modèle du vaisseau XEUS, de l’ESA, a été implémenté. Des comparaisons ont été effectuées avec ESARAD et le code éléments finis SAMCEF

Foundations of realistic rendering : a mathematical approach

Die vorliegende Dissertation ist keine gewöhnliche Abhandlung, sondern sie ist als Lehrbuch zum realistischen Rendering für Studenten im zweiten Studienabschnitt, sowie Forscher und am Thema Interessierte konzipiert. Aus mathematischer Sicht versteht man unter realistischem Rendering das Lösen der stationären Lichttransportgleichung, einer komplizierten Fredholm Integralgleichung der 2tenArt, deren exakte Lösung, wenn überhaupt berechenbar, nur in einem unendlich- dimensionalen Funktionenraum existiert. Während in den existierenden Büchern, die sich mit globaler Beleuchtungstheorie beschäftigen, vorwiegend die praktische Implementierung von Lösungsansätzen im Vordergrund steht, sind wir eher daran interessiert, den Leser mit den mathematischen Hilfsmitteln vertraut zu machen, mit welchen das globale Beleuchtungsproblem streng mathematisch formuliert und letzendlich auch gelöst werden kann. Neue, effzientere und elegantere Algorithmen zur Berechnung zumindest approxima- tiver Lösungen der Lichttransportgleichung und ihrer unterschiedlichen Varianten können nur im Kontext mit einem vertieften Verständnis der Lichttransportgleichung entwickelt werden. Da die Probleme des realistischen Renderings tief in verschiedenen mathematis- chen Disziplinen verwurzelt sind, setzt das vollständige Verständnis des globalen Beleuch- tungsproblems Kenntnisse aus verschiedenen Bereichen der Mathematik voraus. Als zen- trale Konzepte kristallisieren sich dabei Prinzipien der Funktionalanalysis, der Theorie der Integralgleichungen, der Maß- und Integrationstheorie sowie der Wahrscheinlichkeitstheo- rie heraus. Wir haben uns zum Ziel gesetzt, dieses Knäuel an mathematischen Konzepten zu entflechten, sie für Studenten verständlich darzustellen und ihnen bei Bedarf und je nach speziellem Interesse erschöpfend Auskunft zu geben.The available doctoral thesis is not a usual paper but it is conceived as a text book for realistic rendering, made for students in upper courses, as well as for researchers and interested people. From mathematical point of view, realistic rendering means solving the stationary light transport equation, a complicated Fredholm Integral equation of 2nd kind. Its exact solution exists|if possible at all|in an infinite dimensional functional space. Whereas practical implementation of approaches for solving problems are in the center of attentionin the existing textbooks that treat global illumination theory, we are more interested in familiarizing our reader with the mathematical tools which permit them to formulate the global illumination problem in accordance with strong mathematical principles and last but not least to solve it. New, more eficient and more elegant algorithms to calculate approximate solutions for the light transport equation and their different variants must be developed in the context of deep and complete understanding of the light transport equation. As the problems of realistic rendering are deeply rooted in different mathematical disciplines, there must precede the complete comprehension of all those areas. There are evolving principles of functional analysis, theory of integral equations, measure and integration theory as well as probability theory. We have set ourselves the target to remerge this bundle of fluff of mathematical concepts and principles, to represent them to the students in an understandable manner, and to give them, if required, exhaustive information

Virtual light fields for global illumination in computer graphics

This thesis presents novel techniques for the generation and real-time rendering of globally illuminated environments with surfaces described by arbitrary materials. Real-time rendering of globally illuminated virtual environments has for a long time been an elusive goal. Many techniques have been developed which can compute still images with full global illumination and this is still an area of active flourishing research. Other techniques have only dealt with certain aspects of global illumination in order to speed up computation and thus rendering. These include radiosity, ray-tracing and hybrid methods. Radiosity due to its view independent nature can easily be rendered in real-time after pre-computing and storing the energy equilibrium. Ray-tracing however is view-dependent and requires substantial computational resources in order to run in real-time. Attempts at providing full global illumination at interactive rates include caching methods, fast rendering from photon maps, light fields, brute force ray-tracing and GPU accelerated methods. Currently, these methods either only apply to special cases, are incomplete exhibiting poor image quality and/or scale badly such that only modest scenes can be rendered in real-time with current hardware. The techniques developed in this thesis extend upon earlier research and provide a novel, comprehensive framework for storing global illumination in a data structure - the Virtual Light Field - that is suitable for real-time rendering. The techniques trade off rapid rendering for memory usage and precompute time. The main weaknesses of the VLF method are targeted in this thesis. It is the expensive pre-compute stage with best-case O(N^2) performance, where N is the number of faces, which make the light propagation unpractical for all but simple scenes. This is analysed and greatly superior alternatives are presented and evaluated in terms of efficiency and error. Several orders of magnitude improvement in computational efficiency is achieved over the original VLF method. A novel propagation algorithm running entirely on the Graphics Processing Unit (GPU) is presented. It is incremental in that it can resolve visibility along a set of parallel rays in O(N) time and can produce a virtual light field for a moderately complex scene (tens of thousands of faces), with complex illumination stored in millions of elements, in minutes and for simple scenes in seconds. It is approximate but gracefully converges to a correct solution; a linear increase in resolution results in a linear increase in computation time. Finally a GPU rendering technique is presented which can render from Virtual Light Fields at real-time frame rates in high resolution VR presentation devices such as the CAVETM

Heat Transfer

Over the past few decades there has been a prolific increase in research and development in area of heat transfer, heat exchangers and their associated technologies. This book is a collection of current research in the above mentioned areas and describes modelling, numerical methods, simulation and information technology with modern ideas and methods to analyse and enhance heat transfer for single and multiphase systems. The topics considered include various basic concepts of heat transfer, the fundamental modes of heat transfer (namely conduction, convection and radiation), thermophysical properties, computational methodologies, control, stabilization and optimization problems, condensation, boiling and freezing, with many real-world problems and important modern applications. The book is divided in four sections : "Inverse, Stabilization and Optimization Problems", "Numerical Methods and Calculations", "Heat Transfer in Mini/Micro Systems", "Energy Transfer and Solid Materials", and each section discusses various issues, methods and applications in accordance with the subjects. The combination of fundamental approach with many important practical applications of current interest will make this book of interest to researchers, scientists, engineers and graduate students in many disciplines, who make use of mathematical modelling, inverse problems, implementation of recently developed numerical methods in this multidisciplinary field as well as to experimental and theoretical researchers in the field of heat and mass transfer