Practical global illumination for interactive particle visualization

ManuscriptParticle-based simulation methods are used to model a wide range of complex phenomena and to solve time-dependent problems of various scales. Effective visualizations of the resulting state will communicate subtle changes in the three-dimensional structure, spatial organization, and qualitative trends within a simulation as it evolves. We present two algorithms targeting upcoming, highly parallel multicore desktop systems to enable interactive navigation and exploration of large particle datasets with global illumination effects. Monte Carlo path tracing and texture mapping are used to capture computationally expensive illumination effects such as soft shadows and diffuse interreflection. The first approach is based on precomputation of luminance textures and removes expensive illumination calculations from the interactive rendering pipeline. The second approach is based on dynamic luminance texture generation and decouples interactive rendering from the computation of global illumination effects. These algorithms provide visual cues that enhance the ability to perform analysis and feature detection tasks while interrogating the data at interactive rates. We explore the performance of these algorithms and demonstrate their effectiveness using several large datasets

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

Foundry: Hierarchical Material Design for Multi-Material Fabrication

We demonstrate a new approach for designing functional material definitions for multi-material fabrication using our system called Foundry. Foundry provides an interactive and visual process for hierarchically designing spatially-varying material properties (e.g., appearance, mechanical, optical). The resulting meta-materials exhibit structure at the micro and macro level and can surpass the qualities of traditional composites. The material definitions are created by composing a set of operators into an operator graph. Each operator performs a volume decomposition operation, remaps space, or constructs and assigns a material composition. The operators are implemented using a domain-specific language for multi-material fabrication; users can easily extend the library by writing their own operators. Foundry can be used to build operator graphs that describe complex, parameterized, resolution-independent, and reusable material definitions. We also describe how to stage the evaluation of the final material definition which in conjunction with progressive refinement, allows for interactive material evaluation even for complex designs. We show sophisticated and functional parts designed with our system.National Science Foundation (U.S.) (1138967)National Science Foundation (U.S.) (1409310)National Science Foundation (U.S.) (1547088)National Science Foundation (U.S.). Graduate Research Fellowship ProgramMassachusetts Institute of Technology. Undergraduate Research Opportunities Progra

Gigavoxels: ray-guided streaming for efficient and detailed voxel rendering

Figure 1: Images show volume data that consist of billions of voxels rendered with our dynamic sparse octree approach. Our algorithm achieves real-time to interactive rates on volumes exceeding the GPU memory capacities by far, tanks to an efficient streaming based on a ray-casting solution. Basically, the volume is only used at the resolution that is needed to produce the final image. Besides the gain in memory and speed, our rendering is inherently anti-aliased. We propose a new approach to efficiently render large volumetric data sets. The system achieves interactive to real-time rendering performance for several billion voxels. Our solution is based on an adaptive data representation depending on the current view and occlusion information, coupled to an efficient ray-casting rendering algorithm. One key element of our method is to guide data production and streaming directly based on information extracted during rendering. Our data structure exploits the fact that in CG scenes, details are often concentrated on the interface between free space and clusters of density and shows that volumetric models might become a valuable alternative as a rendering primitive for real-time applications. In this spirit, we allow a quality/performance trade-off and exploit temporal coherence. We also introduce a mipmapping-like process that allows for an increased display rate and better quality through high quality filtering. To further enrich the data set, we create additional details through a variety of procedural methods. We demonstrate our approach in several scenarios, like the exploration of a 3D scan (8192 3 resolution), of hypertextured meshes (16384 3 virtual resolution), or of a fractal (theoretically infinite resolution). All examples are rendered on current generation hardware at 20-90 fps and respect the limited GPU memory budget. This is the author’s version of the paper. The ultimate version has been published in the I3D 2009 conference proceedings.

Efficient and High-Quality Rendering of Higher-Order Geometric Data Representations

Computer-Aided Design (CAD) bezeichnet den Entwurf industrieller Produkte mit Hilfe von virtuellen 3D Modellen. Ein CAD-Modell besteht aus parametrischen Kurven und Flächen, in den meisten Fällen non-uniform rational B-Splines (NURBS). Diese mathematische Beschreibung wird ebenfalls zur Analyse, Optimierung und Präsentation des Modells verwendet. In jeder dieser Entwicklungsphasen wird eine unterschiedliche visuelle Darstellung benötigt, um den entsprechenden Nutzern ein geeignetes Feedback zu geben. Designer bevorzugen beispielsweise illustrative oder realistische Darstellungen, Ingenieure benötigen eine verständliche Visualisierung der Simulationsergebnisse, während eine immersive 3D Darstellung bei einer Benutzbarkeitsanalyse oder der Designauswahl hilfreich sein kann. Die interaktive Darstellung von NURBS-Modellen und -Simulationsdaten ist jedoch aufgrund des hohen Rechenaufwandes und der eingeschränkten Hardwareunterstützung eine große Herausforderung. Diese Arbeit stellt vier neuartige Verfahren vor, welche sich mit der interaktiven Darstellung von NURBS-Modellen und Simulationensdaten befassen. Die vorgestellten Algorithmen nutzen neue Fähigkeiten aktueller Grafikkarten aus, um den Stand der Technik bezüglich Qualität, Effizienz und Darstellungsgeschwindigkeit zu verbessern. Zwei dieser Verfahren befassen sich mit der direkten Darstellung der parametrischen Beschreibung ohne Approximationen oder zeitaufwändige Vorberechnungen. Die dabei vorgestellten Datenstrukturen und Algorithmen ermöglichen die effiziente Unterteilung, Klassifizierung, Tessellierung und Darstellung getrimmter NURBS-Flächen und einen interaktiven Ray-Casting-Algorithmus für die Isoflächenvisualisierung von NURBSbasierten isogeometrischen Analysen. Die weiteren zwei Verfahren beschreiben zum einen das vielseitige Konzept der programmierbaren Transparenz für illustrative und verständliche Visualisierungen tiefenkomplexer CAD-Modelle und zum anderen eine neue hybride Methode zur Reprojektion halbtransparenter und undurchsichtiger Bildinformation für die Beschleunigung der Erzeugung von stereoskopischen Bildpaaren. Die beiden letztgenannten Ansätze basieren auf rasterisierter Geometrie und sind somit ebenfalls für normale Dreiecksmodelle anwendbar, wodurch die Arbeiten auch einen wichtigen Beitrag in den Bereichen der Computergrafik und der virtuellen Realität darstellen. Die Auswertung der Arbeit wurde mit großen, realen NURBS-Datensätzen durchgeführt. Die Resultate zeigen, dass die direkte Darstellung auf Grundlage der parametrischen Beschreibung mit interaktiven Bildwiederholraten und in subpixelgenauer Qualität möglich ist. Die Einführung programmierbarer Transparenz ermöglicht zudem die Umsetzung kollaborativer 3D Interaktionstechniken für die Exploration der Modelle in virtuellenUmgebungen sowie illustrative und verständliche Visualisierungen tiefenkomplexer CAD-Modelle. Die Erzeugung stereoskopischer Bildpaare für die interaktive Visualisierung auf 3D Displays konnte beschleunigt werden. Diese messbare Verbesserung wurde zudem im Rahmen einer Nutzerstudie als wahrnehmbar und vorteilhaft befunden.In computer-aided design (CAD), industrial products are designed using a virtual 3D model. A CAD model typically consists of curves and surfaces in a parametric representation, in most cases, non-uniform rational B-splines (NURBS). The same representation is also used for the analysis, optimization and presentation of the model. In each phase of this process, different visualizations are required to provide an appropriate user feedback. Designers work with illustrative and realistic renderings, engineers need a comprehensible visualization of the simulation results, and usability studies or product presentations benefit from using a 3D display. However, the interactive visualization of NURBS models and corresponding physical simulations is a challenging task because of the computational complexity and the limited graphics hardware support. This thesis proposes four novel rendering approaches that improve the interactive visualization of CAD models and their analysis. The presented algorithms exploit latest graphics hardware capabilities to advance the state-of-the-art in terms of quality, efficiency and performance. In particular, two approaches describe the direct rendering of the parametric representation without precomputed approximations and timeconsuming pre-processing steps. New data structures and algorithms are presented for the efficient partition, classification, tessellation, and rendering of trimmed NURBS surfaces as well as the first direct isosurface ray-casting approach for NURBS-based isogeometric analysis. The other two approaches introduce the versatile concept of programmable order-independent semi-transparency for the illustrative and comprehensible visualization of depth-complex CAD models, and a novel method for the hybrid reprojection of opaque and semi-transparent image information to accelerate stereoscopic rendering. Both approaches are also applicable to standard polygonal geometry which contributes to the computer graphics and virtual reality research communities. The evaluation is based on real-world NURBS-based models and simulation data. The results show that rendering can be performed directly on the underlying parametric representation with interactive frame rates and subpixel-precise image results. The computational costs of additional visualization effects, such as semi-transparency and stereoscopic rendering, are reduced to maintain interactive frame rates. The benefit of this performance gain was confirmed by quantitative measurements and a pilot user study

Doctor of Philosophy

dissertationRay tracing presents an efficient rendering algorithm for scientific visualization using common visualization tools and scales with increasingly large geometry counts while allowing for accurate physically-based visualization and analysis, which enables enhanced rendering and new visualization techniques. Interactivity is of great importance for data exploration and analysis in order to gain insight into large-scale data. Increasingly large data sizes are pushing the limits of brute-force rasterization algorithms present in the most widely-used visualization software. Interactive ray tracing presents an alternative rendering solution which scales well on multicore shared memory machines and multinode distributed systems while scaling with increasing geometry counts through logarithmic acceleration structure traversals. Ray tracing within existing tools also provides enhanced rendering options over current implementations, giving users additional insight from better depth cues while also enabling publication-quality rendering and new models of visualization such as replicating photographic visualization techniques

Non-interactive modeling tools and support environment for procedural geometry generation

This research examines procedural modeling in the eld of computer graphics. Procedural modeling automates the generation of objects by representing models as procedures that provide a description of the process required to create the model. The problem we solve with this research is the creation of a procedural modeling environment that consists of a procedural modeling language and a set of non-interactive modeling tools. A goal of this research is to provide comparisons between 3D manual modeling and procedural modeling, which focus on the modeling strategies, tools and model representations used by each modeling paradigm. A procedural modeling language is presented that has the same facilities and features of existing procedural modeling languages. In addition, features such as caching and a pseudorandom number generator is included, demonstrating the advantages of a procedural modeling paradigm. The non-interactive tools created within the procedural modeling framework are selection, extrusion, subdivision, curve shaping and stitching. In order to demonstrate the usefulness of the procedural modeling framework, human and furniture models are created using this procedural modeling environment. Various techniques are presented to generate these objects, and may be used to create a variety of other models. A detailed discussion of each technique is provided. Six experiments are conducted to test the support of the procedural modeling benets provided by this non- interactive modeling environment. The experiments test, namely parameterisation, re-usability, base-shape independence, model complexity, the generation of reproducible random numbers and caching. We prove that a number of distinct models can be generated from a single procedure through the use parameterisation. Modeling procedures and sub-procedures are re-usable and can be applied to different models. Procedures can be base-shape independent. The level of complexity of a model can be increased by repeatedly applying geometry to the model. The pseudo-random number generator is capable of generating reproducible random numbers. The caching facility reduces the time required to generate a model that uses repetitive geometry

Analysis of Visualisation and Interaction Tools Authors

This document provides an in-depth analysis of visualization and interaction tools employed in the context of Virtual Museum. This analysis is required to identify and design the tools and the different components that will be part of the Common Implementation Framework (CIF). The CIF will be the base of the web-based services and tools to support the development of Virtual Museums with particular attention to online Virtual Museum.The main goal is to provide to the stakeholders and developers an useful platform to support and help them in the development of their projects, despite the nature of the project itself. The design of the Common Implementation Framework (CIF) is based on an analysis of the typical workflow ofthe V-MUST partners and their perceived limitations of current technologies. This document is based also on the results of the V-MUST technical questionnaire (presented in the Deliverable 4.1). Based on these two source of information, we have selected some important tools (mainly visualization tools) and services and we elaborate some first guidelines and ideas for the design and development of the CIF, that shall provide a technological foundation for the V-MUST Platform, together with the V-MUST repository/repositories and the additional services defined in the WP4. Two state of the art reports, one about user interface design and another one about visualization technologies have been also provided in this document