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

A survey of real-time crowd rendering

In this survey we review, classify and compare existing approaches for real-time crowd rendering. We first overview character animation techniques, as they are highly tied to crowd rendering performance, and then we analyze the state of the art in crowd rendering. We discuss different representations for level-of-detail (LoD) rendering of animated characters, including polygon-based, point-based, and image-based techniques, and review different criteria for runtime LoD selection. Besides LoD approaches, we review classic acceleration schemes, such as frustum culling and occlusion culling, and describe how they can be adapted to handle crowds of animated characters. We also discuss specific acceleration techniques for crowd rendering, such as primitive pseudo-instancing, palette skinning, and dynamic key-pose caching, which benefit from current graphics hardware. We also address other factors affecting performance and realism of crowds such as lighting, shadowing, clothing and variability. Finally we provide an exhaustive comparison of the most relevant approaches in the field.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Procedural visualization of knitwear and woven cloth

Cataloged from PDF version of article.In this paper, a procedural method for the visualization of knitted and woven fabrics is presented. The proposed method is compatible with a mass-spring model and makes use of the regular warp-weft structure of the cloth. The visualization parameters for the loops and threads are easily mapped to the animated mass-spring model. The simulation idea underlying both knitted and woven fabrics is similar as we represent both structures in 3D. As the proposed method is simple and practical, we can achieve near real-time rendering performance with good visual quality. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved

Virtual Reality Games for Motor Rehabilitation

This paper presents a fuzzy logic based method to track user satisfaction without the need for devices to monitor users physiological conditions. User satisfaction is the key to any product’s acceptance; computer applications and video games provide a unique opportunity to provide a tailored environment for each user to better suit their needs. We have implemented a non-adaptive fuzzy logic model of emotion, based on the emotional component of the Fuzzy Logic Adaptive Model of Emotion (FLAME) proposed by El-Nasr, to estimate player emotion in UnrealTournament 2004. In this paper we describe the implementation of this system and present the results of one of several play tests. Our research contradicts the current literature that suggests physiological measurements are needed. We show that it is possible to use a software only method to estimate user emotion

Realistic Visualization of Animated Virtual Cloth

Photo-realistic rendering of real-world objects is a broad research area with applications in various different areas, such as computer generated films, entertainment, e-commerce and so on. Within photo-realistic rendering, the rendering of cloth is a subarea which involves many important aspects, ranging from material surface reflection properties and macroscopic self-shadowing to animation sequence generation and compression. In this thesis, besides an introduction to the topic plus a broad overview of related work, different methods to handle major aspects of cloth rendering are described. Material surface reflection properties play an important part to reproduce the look & feel of materials, that is, to identify a material only by looking at it. The BTF (bidirectional texture function), as a function of viewing and illumination direction, is an appropriate representation of reflection properties. It captures effects caused by the mesostructure of a surface, like roughness, self-shadowing, occlusion, inter-reflections, subsurface scattering and color bleeding. Unfortunately a BTF data set of a material consists of hundreds to thousands of images, which exceeds current memory size of personal computers by far. This work describes the first usable method to efficiently compress and decompress a BTF data for rendering at interactive to real-time frame rates. It is based on PCA (principal component analysis) of the BTF data set. While preserving the important visual aspects of the BTF, the achieved compression rates allow the storage of several different data sets in main memory of consumer hardware, while maintaining a high rendering quality. Correct handling of complex illumination conditions plays another key role for the realistic appearance of cloth. Therefore, an upgrade of the BTF compression and rendering algorithm is described, which allows the support of distant direct HDR (high-dynamic-range) illumination stored in environment maps. To further enhance the appearance, macroscopic self-shadowing has to be taken into account. For the visualization of folds and the life-like 3D impression, these kind of shadows are absolutely necessary. This work describes two methods to compute these shadows. The first is seamlessly integrated into the illumination part of the rendering algorithm and optimized for static meshes. Furthermore, another method is proposed, which allows the handling of dynamic objects. It uses hardware-accelerated occlusion queries for the visibility determination. In contrast to other algorithms, the presented algorithm, despite its simplicity, is fast and produces less artifacts than other methods. As a plus, it incorporates changeable distant direct high-dynamic-range illumination. The human perception system is the main target of any computer graphics application and can also be treated as part of the rendering pipeline. Therefore, optimization of the rendering itself can be achieved by analyzing human perception of certain visual aspects in the image. As a part of this thesis, an experiment is introduced that evaluates human shadow perception to speedup shadow rendering and provides optimization approaches. Another subarea of cloth visualization in computer graphics is the animation of the cloth and avatars for presentations. This work also describes two new methods for automatic generation and compression of animation sequences. The first method to generate completely new, customizable animation sequences, is based on the concept of finding similarities in animation frames of a given basis sequence. Identifying these similarities allows jumps within the basis sequence to generate endless new sequences. Transmission of any animated 3D data over bandwidth-limited channels, like extended networks or to less powerful clients requires efficient compression schemes. The second method included in this thesis in the animation field is a geometry data compression scheme. Similar to the BTF compression, it uses PCA in combination with clustering algorithms to segment similar moving parts of the animated objects to achieve high compression rates in combination with a very exact reconstruction quality.Realistische Visualisierung von animierter virtueller Kleidung Das photorealistisches Rendering realer Gegenstände ist ein weites Forschungsfeld und hat Anwendungen in vielen Bereichen. Dazu zählen Computer generierte Filme (CGI), die Unterhaltungsindustrie und E-Commerce. Innerhalb dieses Forschungsbereiches ist das Rendern von photorealistischer Kleidung ein wichtiger Bestandteil. Hier reichen die wichtigen Aspekte, die es zu berücksichtigen gilt, von optischen Materialeigenschaften über makroskopische Selbstabschattung bis zur Animationsgenerierung und -kompression. In dieser Arbeit wird, neben der Einführung in das Thema, ein weiter Überblick über ähnlich gelagerte Arbeiten gegeben. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf den wichtigen Aspekten der virtuellen Kleidungsvisualisierung, die oben beschrieben wurden. Die optischen Reflektionseigenschaften von Materialoberflächen spielen eine wichtige Rolle, um das so genannte look & feel von Materialien zu charakterisieren. Hierbei kann ein Material vom Nutzer identifiziert werden, ohne dass er es direkt anfassen muss. Die BTF (bidirektionale Texturfunktion)ist eine Funktion die abhängig von der Blick- und Beleuchtungsrichtung ist. Daher ist sie eine angemessene Repräsentation von Reflektionseigenschaften. Sie enthält Effekte wie Rauheit, Selbstabschattungen, Verdeckungen, Interreflektionen, Streuung und Farbbluten, die durch die Mesostruktur der Oberfläche hervorgerufen werden. Leider besteht ein BTF Datensatz eines Materials aus hunderten oder tausenden von Bildern und sprengt damit herkömmliche Hauptspeicher in Computern bei weitem. Diese Arbeit beschreibt die erste praktikable Methode, um BTF Daten effizient zu komprimieren, zu speichern und für Echtzeitanwendungen zum Visualisieren wieder zu dekomprimieren. Die Methode basiert auf der Principal Component Analysis (PCA), die Daten nach Signifikanz ordnet. Während die PCA die entscheidenen visuellen Aspekte der BTF erhält, können mit ihrer Hilfe Kompressionsraten erzielt werden, die es erlauben mehrere BTF Materialien im Hauptspeicher eines Consumer PC zu verwalten. Dies erlaubt ein High-Quality Rendering. Korrektes Verwenden von komplexen Beleuchtungssituationen spielt eine weitere, wichtige Rolle, um Kleidung realistisch erscheinen zu lassen. Daher wird zudem eine Erweiterung des BTF Kompressions- und Renderingalgorithmuses erläutert, die den Einsatz von High-Dynamic Range (HDR) Beleuchtung erlaubt, die in environment maps gespeichert wird. Um die realistische Erscheinung der Kleidung weiter zu unterstützen, muss die makroskopische Selbstabschattung integriert werden. Für die Visualisierung von Falten und den lebensechten 3D Eindruck ist diese Art von Schatten absolut notwendig. Diese Arbeit beschreibt daher auch zwei Methoden, diese Schatten schnell und effizient zu berechnen. Die erste ist nahtlos in den Beleuchtungspart des obigen BTF Renderingalgorithmuses integriert und für statische Geometrien optimiert. Die zweite Methode behandelt dynamische Objekte. Dazu werden hardwarebeschleunigte Occlusion Queries verwendet, um die Sichtbarkeitsberechnung durchzuführen. Diese Methode ist einerseits simpel und leicht zu implementieren, anderseits ist sie schnell und produziert weniger Artefakte, als vergleichbare Methoden. Zusätzlich ist die Verwendung von veränderbarer, entfernter HDR Beleuchtung integriert. Das menschliche Wahrnehmungssystem ist das eigentliche Ziel jeglicher Anwendung in der Computergrafik und kann daher selbst als Teil einer erweiterten Rendering Pipeline gesehen werden. Daher kann das Rendering selbst optimiert werden, wenn man die menschliche Wahrnehmung verschiedener visueller Aspekte der berechneten Bilder analysiert. Teil der vorliegenden Arbeit ist die Beschreibung eines Experimentes, das menschliche Schattenwahrnehmung untersucht, um das Rendern der Schatten zu beschleunigen. Ein weiteres Teilgebiet der Kleidungsvisualisierung in der Computergrafik ist die Animation der Kleidung und von Avataren für Präsentationen. Diese Arbeit beschreibt zwei neue Methoden auf diesem Teilgebiet. Einmal ein Algorithmus, der für die automatische Generierung neuer Animationssequenzen verwendet werden kann und zum anderen einen Kompressionsalgorithmus für eben diese Sequenzen. Die automatische Generierung von völlig neuen, anpassbaren Animationen basiert auf dem Konzept der Ähnlichkeitssuche. Hierbei werden die einzelnen Schritte von gegebenen Basisanimationen auf Ähnlichkeiten hin untersucht, die zum Beispiel die Geschwindigkeiten einzelner Objektteile sein können. Die Identifizierung dieser Ähnlichkeiten erlaubt dann Sprünge innerhalb der Basissequenz, die dazu benutzt werden können, endlose, neue Sequenzen zu erzeugen. Die Übertragung von animierten 3D Daten über bandbreitenlimitierte Kanäle wie ausgedehnte Netzwerke, Mobilfunk oder zu sogenannten thin clients erfordert eine effiziente Komprimierung. Die zweite, in dieser Arbeit vorgestellte Methode, ist ein Kompressionsschema für Geometriedaten. Ähnlich wie bei der Kompression von BTF Daten wird die PCA in Verbindung mit Clustering benutzt, um die animierte Geometrie zu analysieren und in sich ähnlich bewegende Teile zu segmentieren. Diese erkannten Segmente lassen sich dann hoch komprimieren. Der Algorithmus arbeitet automatisch und erlaubt zudem eine sehr exakte Rekonstruktionsqualität nach der Dekomprimierung

From measured physical parameters to the haptic feeling of fabric

Abstract real-time cloth simulation involves the solution of many computational challenges, particularly in the context of haptic applications, where high frame rates are necessary for obtaining a satisfactory tactile experience. In this paper, we present a real-time cloth simulation system that offers a compromise between a realistic physically-based simulation of fabrics and a haptic application with high requirements in terms of computation speed. We place emphasis on architecture and algorithmic choices for obtaining the best compromise in the context of haptic applications. A first implementation using a haptic device demonstrates the features of the proposed system and leads to the development of new approaches for haptic rendering using the proposed approac