Foveated Path Tracing with Fast Reconstruction and Efficient Sample Distribution

Polunseuranta on tietokonegrafiikan piirtotekniikka, jota on käytetty pääasiassa ei-reaaliaikaisen realistisen piirron tekemiseen. Polunseuranta tukee luonnostaan monia muilla tekniikoilla vaikeasti saavutettavia todellisen valon ilmiöitä kuten heijastuksia ja taittumista. Reaaliaikainen polunseuranta on hankalaa polunseurannan suuren laskentavaatimuksen takia. Siksi nykyiset reaaliaikaiset polunseurantasysteemi tuottavat erittäin kohinaisia kuvia, jotka tyypillisesti suodatetaan jälkikäsittelykohinanpoisto-suodattimilla. Erittäin immersiivisiä käyttäjäkokemuksia voitaisiin luoda polunseurannalla, joka täyttäisi laajennetun todellisuuden vaatimukset suuresta resoluutiosta riittävän matalassa vasteajassa. Yksi mahdollinen ratkaisu näiden vaatimusten täyttämiseen voisi olla katsekeskeinen polunseuranta, jossa piirron resoluutiota vähennetään katseen reunoilla. Tämän johdosta piirron laatu on katseen reunoilla sekä harvaa että kohinaista, mikä asettaa suuren roolin lopullisen kuvan koostavalle suodattimelle. Tässä työssä esitellään ensimmäinen reaaliajassa toimiva regressionsuodatin. Suodatin on suunniteltu kohinaisille kuville, joissa on yksi polunseurantanäyte pikseliä kohden. Nopea suoritus saavutetaan tiileissä käsittelemällä ja nopealla sovituksen toteutuksella. Lisäksi työssä esitellään Visual-Polar koordinaattiavaruus, joka jakaa polunseurantanäytteet siten, että niiden jakauma seuraa silmän herkkyysmallia. Visual-Polar-avaruuden etu muihin tekniikoiden nähden on että se vähentää työmäärää sekä polunseurannassa että suotimessa. Nämä tekniikat esittelevät toimivan prototyypin katsekeskeisestä polunseurannasta, ja saattavat toimia tienraivaajina laajamittaiselle realistisen reaaliaikaisen polunseurannan käyttöönotolle.Photo-realistic offline rendering is currently done with path tracing, because it naturally produces many real-life light effects such as reflections, refractions and caustics. These effects are hard to achieve with other rendering techniques. However, path tracing in real time is complicated due to its high computational demand. Therefore, current real-time path tracing systems can only generate very noisy estimate of the final frame, which is then denoised with a post-processing reconstruction filter. A path tracing-based rendering system capable of filling the high resolution in the low latency requirements of mixed reality devices would generate a very immersive user experience. One possible solution for fulfilling these requirements could be foveated path tracing, wherein the rendering resolution is reduced in the periphery of the human visual system. The key challenge is that the foveated path tracing in the periphery is both sparse and noisy, placing high demands on the reconstruction filter. This thesis proposes the first regression-based reconstruction filter for path tracing that runs in real time. The filter is designed for highly noisy one sample per pixel inputs. The fast execution is accomplished with blockwise processing and fast implementation of the regression. In addition, a novel Visual-Polar coordinate space which distributes the samples according to the contrast sensitivity model of the human visual system is proposed. The specialty of Visual-Polar space is that it reduces both path tracing and reconstruction work because both of them can be done with smaller resolution. These techniques enable a working prototype of a foveated path tracing system and may work as a stepping stone towards wider commercial adoption of photo-realistic real-time path tracing

Blickpunktabhängige Computergraphik

Contemporary digital displays feature multi-million pixels at ever-increasing refresh rates. Reality, on the other hand, provides us with a view of the world that is continuous in space and time. The discrepancy between viewing the physical world and its sampled depiction on digital displays gives rise to perceptual quality degradations. By measuring or estimating where we look, gaze-contingent algorithms aim at exploiting the way we visually perceive to remedy visible artifacts. This dissertation presents a variety of novel gaze-contingent algorithms and respective perceptual studies. Chapter 4 and 5 present methods to boost perceived visual quality of conventional video footage when viewed on commodity monitors or projectors. In Chapter 6 a novel head-mounted display with real-time gaze tracking is described. The device enables a large variety of applications in the context of Virtual Reality and Augmented Reality. Using the gaze-tracking VR headset, a novel gaze-contingent render method is described in Chapter 7. The gaze-aware approach greatly reduces computational efforts for shading virtual worlds. The described methods and studies show that gaze-contingent algorithms are able to improve the quality of displayed images and videos or reduce the computational effort for image generation, while display quality perceived by the user does not change.Moderne digitale Bildschirme ermöglichen immer höhere Auflösungen bei ebenfalls steigenden Bildwiederholraten. Die Realität hingegen ist in Raum und Zeit kontinuierlich. Diese Grundverschiedenheit führt beim Betrachter zu perzeptuellen Unterschieden. Die Verfolgung der Aug-Blickrichtung ermöglicht blickpunktabhängige Darstellungsmethoden, die sichtbare Artefakte verhindern können. Diese Dissertation trägt zu vier Bereichen blickpunktabhängiger und wahrnehmungstreuer Darstellungsmethoden bei. Die Verfahren in Kapitel 4 und 5 haben zum Ziel, die wahrgenommene visuelle Qualität von Videos für den Betrachter zu erhöhen, wobei die Videos auf gewöhnlicher Ausgabehardware wie z.B. einem Fernseher oder Projektor dargestellt werden. Kapitel 6 beschreibt die Entwicklung eines neuartigen Head-mounted Displays mit Unterstützung zur Erfassung der Blickrichtung in Echtzeit. Die Kombination der Funktionen ermöglicht eine Reihe interessanter Anwendungen in Bezug auf Virtuelle Realität (VR) und Erweiterte Realität (AR). Das vierte und abschließende Verfahren in Kapitel 7 dieser Dissertation beschreibt einen neuen Algorithmus, der das entwickelte Eye-Tracking Head-mounted Display zum blickpunktabhängigen Rendern nutzt. Die Qualität des Shadings wird hierbei auf Basis eines Wahrnehmungsmodells für jeden Bildpixel in Echtzeit analysiert und angepasst. Das Verfahren hat das Potenzial den Berechnungsaufwand für das Shading einer virtuellen Szene auf ein Bruchteil zu reduzieren. Die in dieser Dissertation beschriebenen Verfahren und Untersuchungen zeigen, dass blickpunktabhängige Algorithmen die Darstellungsqualität von Bildern und Videos wirksam verbessern können, beziehungsweise sich bei gleichbleibender Bildqualität der Berechnungsaufwand des bildgebenden Verfahrens erheblich verringern lässt

Instantaneous foveated preview for progressive Monte Carlo rendering

Abstract Progressive rendering, for example Monte Carlo rendering of 360° content for virtual reality headsets, is a time-consuming task. If the 3D artist notices an error while previewing the rendering, they must return to editing mode, make the required changes, and restart rendering. We propose the use of eye-tracking-based optimization to significantly speed up previewing of the artist’s points of interest. The speed of the preview is further improved by sampling with a distribution that closely follows the experimentally measured visual acuity of the human eye, unlike the piecewise linear models used in previous work. In a comprehensive user study, the perceived convergence of our proposed method was 10 times faster than that of a conventional preview, and often appeared to be instantaneous. In addition, the participants rated the method to have only marginally more artifacts in areas where it had to start rendering from scratch, compared to conventional rendering methods that had already generated image content in those areas

The Sixth Annual Workshop on Space Operations Applications and Research (SOAR 1992)

This document contains papers presented at the Space Operations, Applications, and Research Symposium (SOAR) hosted by the U.S. Air Force (USAF) on 4-6 Aug. 1992 and held at the JSC Gilruth Recreation Center. The symposium was cosponsored by the Air Force Material Command and by NASA/JSC. Key technical areas covered during the symposium were robotic and telepresence, automation and intelligent systems, human factors, life sciences, and space maintenance and servicing. The SOAR differed from most other conferences in that it was concerned with Government-sponsored research and development relevant to aerospace operations. The symposium's proceedings include papers covering various disciplines presented by experts from NASA, the USAF, universities, and industry