Implementation and Analysis of an Image-Based Global Illumination Framework for Animated Environments

We describe a new framework for efficiently computing and storing global illumination effects for complex, animated environments. The new framework allows the rapid generation of sequences representing any arbitrary path in a view space within an environment in which both the viewer and objects move. The global illumination is stored as time sequences of range-images at base locations that span the view space. We present algorithms for determining locations for these base images, and the time steps required to adequately capture the effects of object motion. We also present algorithms for computing the global illumination in the base images that exploit spatial and temporal coherence by considering direct and indirect illumination separately. We discuss an initial implementation using the new framework. Results and analysis of our implementation demonstrate the effectiveness of the individual phases of the approach; we conclude with an application of the complete framework to a complex environment that includes object motion

Developing serious games for cultural heritage: a state-of-the-art review

Although the widespread use of gaming for leisure purposes has been well documented, the use of games to support cultural heritage purposes, such as historical teaching and learning, or for enhancing museum visits, has been less well considered. The state-of-the-art in serious game technology is identical to that of the state-of-the-art in entertainment games technology. As a result, the field of serious heritage games concerns itself with recent advances in computer games, real-time computer graphics, virtual and augmented reality and artificial intelligence. On the other hand, the main strengths of serious gaming applications may be generalised as being in the areas of communication, visual expression of information, collaboration mechanisms, interactivity and entertainment. In this report, we will focus on the state-of-the-art with respect to the theories, methods and technologies used in serious heritage games. We provide an overview of existing literature of relevance to the domain, discuss the strengths and weaknesses of the described methods and point out unsolved problems and challenges. In addition, several case studies illustrating the application of methods and technologies used in cultural heritage are presented

Serious Games in Cultural Heritage

Although the widespread use of gaming for leisure purposes has been well documented, the use of games to support cultural heritage purposes, such as historical teaching and learning, or for enhancing museum visits, has been less well considered. The state-of-the-art in serious game technology is identical to that of the state-of-the-art in entertainment games technology. As a result the field of serious heritage games concerns itself with recent advances in computer games, real-time computer graphics, virtual and augmented reality and artificial intelligence. On the other hand, the main strengths of serious gaming applications may be generalised as being in the areas of communication, visual expression of information, collaboration mechanisms, interactivity and entertainment. In this report, we will focus on the state-of-the-art with respect to the theories, methods and technologies used in serious heritage games. We provide an overview of existing literature of relevance to the domain, discuss the strengths and weaknesses of the described methods and point out unsolved problems and challenges. In addition, several case studies illustrating the application of methods and technologies used in cultural heritage are presented

Robust object-based algorithms for direct shadow simulation

En informatique graphique, les algorithmes de générations d'ombres évaluent la quantité de lumière directement perçue par une environnement virtuel. Calculer précisément des ombres est cependant coûteux en temps de calcul. Dans cette dissertation, nous présentons un nouveau système basé objet robuste, qui permet de calculer des ombres réalistes sur des scènes dynamiques et ce en temps interactif. Nos contributions incluent notamment le développement de nouveaux algorithmes de génération d'ombres douces ainsi que leur mise en oeuvre efficace sur processeur graphique. Nous commençons par formaliser la problématique du calcul d'ombres directes. Tout d'abord, nous définissons ce que sont les ombres directes dans le contexte général du transport de la lumière. Nous étudions ensuite les techniques interactives qui génèrent des ombres directes. Suite à cette étude nous montrons que mêmes les algorithmes dit physiquement réalistes se reposent sur des approximations. Nous mettons également en avant, que malgré leur contraintes géométriques, les algorithmes d'ombres basées objet sont un bon point de départ pour résoudre notre problématique de génération efficace et robuste d'ombres directes. Basé sur cette observation, nous étudions alors le système basé objet existant et mettons en avant ses problèmes de robustesse. Nous proposons une nouvelle technique qui améliore la qualité des ombres générées par ce système en lui ajoutant une étape de mélange de pénombres. Malgré des propriétés et des résultats convaincants, les limitations théoriques et de mise en oeuvre limite la qualité générale et les performances de cet algorithme. Nous présentons ensuite un nouvel algorithme d'ombres basées objet. Cet algorithme combine l'efficacité de l'approche basée objet temps réel avec la précision de sa généralisation au rendu hors ligne. Notre algorithme repose sur l'évaluation locale du nombre d'objets entre deux points : la complexité de profondeur. Nous décrivons comment nous utilisons cet algorithme pour échantillonner la complexité de profondeur entre les surfaces visibles d'une scène et une source lumineuse. Nous générons ensuite des ombres à partir de cette information soit en modulant l'éclairage direct soit en intégrant numériquement l'équation d'illumination directe. Nous proposons ensuite une extension de notre algorithme afin qu'il puisse prendre en compte les ombres projetées par des objets semi-opaque. Finalement, nous présentons une mise en oeuvre efficace de notre système qui démontre que des ombres basées objet peuvent être générées de façon efficace et ce même sur une scène dynamique. En rendu temps réel, il est commun de représenter des objets très détaillés encombinant peu de triangles avec des textures qui représentent l'opacité binaire de l'objet. Les techniques de génération d'ombres basées objet ne traitent pas de tels triangles dit "perforés". De par leur nature, elles manipulent uniquement les géométries explicitement représentées par des primitives géométriques. Nous présentons une nouvel algorithme basé objet qui lève cette limitation. Nous soulignons que notre méthode peut être efficacement combinée avec les systèmes existants afin de proposer un système unifié basé objet qui génère des ombres à la fois pour des maillages classiques et des géométries perforées. La mise en oeuvre proposée montre finalement qu'une telle combinaison fournit une solution élégante, efficace et robuste à la problématique générale de l'éclairage direct et ce aussi bien pour des applications temps réel que des applications sensibles à la la précision du résultat.Direct shadow algorithms generate shadows by simulating the direct lighting interaction in a virtual environment. The main challenge with the accurate direct shadow problematic is its computational cost. In this dissertation, we develop a new robust object-based shadow framework that provides realistic shadows at interactive frame rate on dynamic scenes. Our contributions include new robust object-based soft shadow algorithms and efficient interactive implementations. We start, by formalizing the direct shadow problematic. Following the light transport problematic, we first formalize what are robust direct shadows. We then study existing interactive direct shadow techniques and outline that the real time direct shadow simulation remains an open problem. We show that even the so called physically plausible soft shadow algorithms still rely on approximations. Nevertheless we exhibit that, despite their geometric constraints, object-based approaches seems well suited when targeting accurate solutions. Starting from the previous analyze, we investigate the existing object-based shadow framework and discuss about its robustness issues. We propose a new technique that drastically improve the resulting shadow quality by improving this framework with a penumbra blending stage. We present a practical implementation of this approach. From the obtained results, we outline that, despite desirable properties, the inherent theoretical and implementation limitations reduce the overall quality and performances of the proposed algorithm. We then present a new object-based soft shadow algorithm. It merges the efficiency of the real time object-based shadows with the accuracy of its offline generalization. The proposed algorithm lies onto a new local evaluation of the number of occluders between $two$ points (\ie{} the depth complexity). We describe how we use this algorithm to sample the depth complexity between any visible receiver and the light source. From this information, we compute shadows by either modulate the direct lighting or numerically solve the direct illumination with an accuracy depending on the light sampling strategy. We then propose an extension of our algorithm in order to handle shadows cast by semi opaque occluders. We finally present an efficient implementation of this framework that demonstrates that object-based shadows can be efficiently used on complex dynamic environments. In real time rendering, it is common to represent highly detailed objects with few triangles and transmittance textures that encode their binary opacity. Object-based techniques do not handle such perforated triangles. Due to their nature, they can only evaluate the shadows cast by models whose their shape is explicitly defined by geometric primitives. We describe a new robust object-based algorithm that addresses this main limitation. We outline that this method can be efficiently combine with object-based frameworks in order to evaluate approximative shadows or simulate the direct illumination for both common meshes and perforated triangles. The proposed implementation shows that such combination provides a very strong and efficient direct lighting framework, well suited to many domains ranging from quality sensitive to performance critical applications

A Survey of Ocean Simulation and Rendering Techniques in Computer Graphics

This paper presents a survey of ocean simulation and rendering methods in computer graphics. To model and animate the ocean's surface, these methods mainly rely on two main approaches: on the one hand, those which approximate ocean dynamics with parametric, spectral or hybrid models and use empirical laws from oceanographic research. We will see that this type of methods essentially allows the simulation of ocean scenes in the deep water domain, without breaking waves. On the other hand, physically-based methods use Navier-Stokes Equations (NSE) to represent breaking waves and more generally ocean surface near the shore. We also describe ocean rendering methods in computer graphics, with a special interest in the simulation of phenomena such as foam and spray, and light's interaction with the ocean surface

Analyse de l'espace des chemins pour la composition des ombres et lumières

La réalisation des films d'animation 3D s'appuie de nos jours sur les techniques de rendu physiquement réaliste, qui simulent la propagation de la lumière dans chaque scène. Dans ce contexte, les graphistes 3D doivent jouer avec les effets de lumière pour accompagner la mise en scène, dérouler la narration du film, et transmettre son contenu émotionnel aux spectateurs. Cependant, les équations qui modélisent le comportement de la lumière laissent peu de place à l'expression artistique. De plus, l'édition de l'éclairage par essai-erreur est ralentie par les longs temps de rendu associés aux méthodes physiquement réalistes, ce qui rend fastidieux le travail des graphistes. Pour pallier ce problème, les studios d'animation ont souvent recours à la composition, où les graphistes retravaillent l'image en associant plusieurs calques issus du processus de rendu. Ces calques peuvent contenir des informations géométriques sur la scène, ou bien isoler un effet lumineux intéressant. L'avantage de la composition est de permettre une interaction en temps réel, basée sur les méthodes classiques d'édition en espace image. Notre contribution principale est la définition d'un nouveau type de calque pour la composition, le calque d'ombre. Un calque d'ombre contient la quantité d'énergie perdue dans la scène à cause du blocage des rayons lumineux par un objet choisi. Comparée aux outils existants, notre approche présente plusieurs avantages pour l'édition. D'abord, sa signification physique est simple à concevoir : lorsque l'on ajoute le calque d'ombre et l'image originale, toute ombre due à l'objet choisi disparaît. En comparaison, un masque d'ombre classique représente la fraction de rayons bloqués en chaque pixel, une information en valeurs de gris qui ne peut servir que d'approximation pour guider la composition. Ensuite, le calque d'ombre est compatible avec l'éclairage global : il enregistre l'énergie perdue depuis les sources secondaires, réfléchies au moins une fois dans la scène, là où les méthodes actuelles ne considèrent que les sources primaires. Enfin, nous démontrons l'existence d'une surestimation de l'éclairage dans trois logiciels de rendu différents lorsque le graphiste désactive les ombres pour un objet ; notre définition corrige ce défaut. Nous présentons un prototype d'implémentation des calques d'ombres à partir de quelques modifications du Path Tracing, l'algorithme de choix en production. Il exporte l'image originale et un nombre arbitraire de calques d'ombres liés à différents objets en une passe de rendu, requérant un temps supplémentaire de l'ordre de 15% dans des scènes à géométrie complexe et contenant plusieurs milieux participants. Des paramètres optionnels sont aussi proposés au graphiste pour affiner le rendu des calques d'ombres.The production of 3D animated motion picture now relies on physically realistic rendering techniques, that simulate light propagation within each scene. In this context, 3D artists must leverage lighting effects to support staging, deploy the film's narrative, and convey its emotional content to viewers. However, the equations that model the behavior of light leave little room for artistic expression. In addition, editing illumination by trial-and-error is tedious due to the long render times that physically realistic rendering requires. To remedy these problems, most animation studios resort to compositing, where artists rework a frame by associating multiple layers exported during rendering. These layers can contain geometric information on the scene, or isolate a particular lighting effect. The advantage of compositing is that interactions take place in real time, and are based on conventional image space operations. Our main contribution is the definition of a new type of layer for compositing, the shadow layer. A shadow layer contains the amount of energy lost in the scene due to the occlusion of light rays by a given object. Compared to existing tools, our approach presents several advantages for artistic editing. First, its physical meaning is straightforward: when a shadow layer is added to the original image, any shadow created by the chosen object disappears. In comparison, a traditional shadow matte represents the ratio of occluded rays at a pixel, a grayscale information that can only serve as an approximation to guide compositing operations. Second, shadow layers are compatible with global illumination: they pick up energy lost from secondary light sources that are scattered at least once in the scene, whereas the current methods only consider primary sources. Finally, we prove the existence of an overestimation of illumination in three different renderers when an artist disables the shadow of an object; our definition fixes this shortcoming. We present a prototype implementation for shadow layers obtained from a few modifications of path tracing, the main rendering algorithm in production. It exports the original image and any number of shadow layers associated with different objects in a single rendering pass, with an additional 15% time in scenes containing complex geometry and multiple participating media. Optional parameters are also proposed to the artist to fine-tune the rendering of shadow layers