Point based graphics rendering with unified scalability solutions.

Standard real-time 3D graphics rendering algorithms use brute force polygon rendering, with complexity linear in the number of polygons and little regard for limiting processing to data that contributes to the image. Modern hardware can now render smaller scenes to pixel levels of detail, relaxing surface connectivity requirements. Sub-linear scalability optimizations are typically self-contained, requiring specific data structures, without shared functions and data. A new point based rendering algorithm 'Canopy' is investigated that combines multiple typically sub-linear scalability solutions, using a small core of data structures. Specifically, locale management, hierarchical view volume culling, backface culling, occlusion culling, level of detail and depth ordering are addressed. To demonstrate versatility further, shadows and collision detection are examined. Polygon models are voxelized with interpolated attributes to provide points. A scene tree is constructed, based on a BSP tree of points, with compressed attributes. The scene tree is embedded in a compressed, partitioned, procedurally based scene graph architecture that mimics conventional systems with groups, instancing, inlines and basic read on demand rendering from backing store. Hierarchical scene tree refinement constructs an image tree image space equivalent, with object space scene node points projected, forming image node equivalents. An image graph of image nodes is maintained, describing image and object space occlusion relationships, hierarchically refined with front to back ordering to a specified threshold whilst occlusion culling with occluder fusion. Visible nodes at medium levels of detail are refined further to rasterization scales. Occlusion culling defines a set of visible nodes that can support caching for temporal coherence. Occlusion culling is approximate, possibly not suiting critical applications. Qualities and performance are tested against standard rendering. Although the algorithm has a 0(f) upper bound in the scene sizef, it is shown to practically scale sub-linearly. Scenes with several hundred billion polygons conventionally, are rendered at interactive frame rates with minimal graphics hardware support

Methods for Real-time Visualization and Interaction with Landforms

This thesis presents methods to enrich data modeling and analysis in the geoscience domain with a particular focus on geomorphological applications. First, a short overview of the relevant characteristics of the used remote sensing data and basics of its processing and visualization are provided. Then, two new methods for the visualization of vector-based maps on digital elevation models (DEMs) are presented. The first method uses a texture-based approach that generates a texture from the input maps at runtime taking into account the current viewpoint. In contrast to that, the second method utilizes the stencil buffer to create a mask in image space that is then used to render the map on top of the DEM. A particular challenge in this context is posed by the view-dependent level-of-detail representation of the terrain geometry. After suitable visualization methods for vector-based maps have been investigated, two landform mapping tools for the interactive generation of such maps are presented. The user can carry out the mapping directly on the textured digital elevation model and thus benefit from the 3D visualization of the relief. Additionally, semi-automatic image segmentation techniques are applied in order to reduce the amount of user interaction required and thus make the mapping process more efficient and convenient. The challenge in the adaption of the methods lies in the transfer of the algorithms to the quadtree representation of the data and in the application of out-of-core and hierarchical methods to ensure interactive performance. Although high-resolution remote sensing data are often available today, their effective resolution at steep slopes is rather low due to the oblique acquisition angle. For this reason, remote sensing data are suitable to only a limited extent for visualization as well as landform mapping purposes. To provide an easy way to supply additional imagery, an algorithm for registering uncalibrated photos to a textured digital elevation model is presented. A particular challenge in registering the images is posed by large variations in the photos concerning resolution, lighting conditions, seasonal changes, etc. The registered photos can be used to increase the visual quality of the textured DEM, in particular at steep slopes. To this end, a method is presented that combines several georegistered photos to textures for the DEM. The difficulty in this compositing process is to create a consistent appearance and avoid visible seams between the photos. In addition to that, the photos also provide valuable means to improve landform mapping. To this end, an extension of the landform mapping methods is presented that allows the utilization of the registered photos during mapping. This way, a detailed and exact mapping becomes feasible even at steep slopes

Efficient From-Point Visibility for Global Illumination in Virtual Scenes with Participating Media

Sichtbarkeitsbestimmung ist einer der fundamentalen Bausteine fotorealistischer Bildsynthese. Da die Berechnung der Sichtbarkeit allerdings äußerst kostspielig zu berechnen ist, wird nahezu die gesamte Berechnungszeit darauf verwendet. In dieser Arbeit stellen wir neue Methoden zur Speicherung, Berechnung und Approximation von Sichtbarkeit in Szenen mit streuenden Medien vor, die die Berechnung erheblich beschleunigen, dabei trotzdem qualitativ hochwertige und artefaktfreie Ergebnisse liefern

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

Applied Visualization in the Neurosciences and the Enhancement of Visualization through Computer Graphics

The complexity and size of measured and simulated data in many fields of science is increasing constantly. The technical evolution allows for capturing smaller features and more complex structures in the data. To make this data accessible by the scientists, efficient and specialized visualization techniques are required. Maximum efficiency and value for the user can only be achieved by adapting visualization to the specific application area and the specific requirements of the scientific field. Part I: In the first part of my work, I address the visualization in the neurosciences. The neuroscience tries to understand the human brain; beginning at its smallest parts, up to its global infrastructure. To achieve this ambitious goal, the neuroscience uses a combination of three-dimensional data from a myriad of sources, like MRI, CT, or functional MRI. To handle this diversity of different data types and sources, the neuroscience need specialized and well evaluated visualization techniques. As a start, I will introduce an extensive software called \"OpenWalnut\". It forms the common base for developing and using visualization techniques with our neuroscientific collaborators. Using OpenWalnut, standard and novel visualization approaches are available to the neuroscientific researchers too. Afterwards, I am introducing a very specialized method to illustrate the causal relation of brain areas, which was, prior to that, only representable via abstract graph models. I will finalize the first part of my work with an evaluation of several standard visualization techniques in the context of simulated electrical fields in the brain. The goal of this evaluation was clarify the advantages and disadvantages of the used visualization techniques to the neuroscientific community. We exemplified these, using clinically relevant scenarios. Part II: Besides the data preprocessing, which plays a tremendous role in visualization, the final graphical representation of the data is essential to understand structure and features in the data. The graphical representation of data can be seen as the interface between the data and the human mind. The second part of my work is focused on the improvement of structural and spatial perception of visualization -- the improvement of the interface. Unfortunately, visual improvements using computer graphics methods of the computer game industry is often seen sceptically. In the second part, I will show that such methods can be applied to existing visualization techniques to improve spatiality and to emphasize structural details in the data. I will use a computer graphics paradigm called \"screen space rendering\". Its advantage, amongst others, is its seamless applicability to nearly every visualization technique. I will start with two methods that improve the perception of mesh-like structures on arbitrary surfaces. Those mesh structures represent second-order tensors and are generated by a method named \"TensorMesh\". Afterwards I show a novel approach to optimally shade line and point data renderings. With this technique it is possible for the first time to emphasize local details and global, spatial relations in dense line and point data.In vielen Bereichen der Wissenschaft nimmt die Größe und Komplexität von gemessenen und simulierten Daten zu. Die technische Entwicklung erlaubt das Erfassen immer kleinerer Strukturen und komplexerer Sachverhalte. Um solche Daten dem Menschen zugänglich zu machen, benötigt man effiziente und spezialisierte Visualisierungswerkzeuge. Nur die Anpassung der Visualisierung auf ein Anwendungsgebiet und dessen Anforderungen erlaubt maximale Effizienz und Nutzen für den Anwender. Teil I: Im ersten Teil meiner Arbeit befasse ich mich mit der Visualisierung im Bereich der Neurowissenschaften. Ihr Ziel ist es, das menschliche Gehirn zu begreifen; von seinen kleinsten Teilen bis hin zu seiner Gesamtstruktur. Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen nutzt die Neurowissenschaft vor allem kombinierte, dreidimensionale Daten aus vielzähligen Quellen, wie MRT, CT oder funktionalem MRT. Um mit dieser Vielfalt umgehen zu können, benötigt man in der Neurowissenschaft vor allem spezialisierte und evaluierte Visualisierungsmethoden. Zunächst stelle ich ein umfangreiches Softwareprojekt namens \"OpenWalnut\" vor. Es bildet die gemeinsame Basis für die Entwicklung und Nutzung von Visualisierungstechniken mit unseren neurowissenschaftlichen Kollaborationspartnern. Auf dieser Basis sind klassische und neu entwickelte Visualisierungen auch für Neurowissenschaftler zugänglich. Anschließend stelle ich ein spezialisiertes Visualisierungsverfahren vor, welches es ermöglicht, den kausalen Zusammenhang zwischen Gehirnarealen zu illustrieren. Das war vorher nur durch abstrakte Graphenmodelle möglich. Den ersten Teil der Arbeit schließe ich mit einer Evaluation verschiedener Standardmethoden unter dem Blickwinkel simulierter elektrischer Felder im Gehirn ab. Das Ziel dieser Evaluation war es, der neurowissenschaftlichen Gemeinde die Vor- und Nachteile bestimmter Techniken zu verdeutlichen und anhand klinisch relevanter Fälle zu erläutern. Teil II: Neben der eigentlichen Datenvorverarbeitung, welche in der Visualisierung eine enorme Rolle spielt, ist die grafische Darstellung essenziell für das Verständnis der Strukturen und Bestandteile in den Daten. Die grafische Repräsentation von Daten bildet die Schnittstelle zum Gehirn des Menschen. Der zweite Teile meiner Arbeit befasst sich mit der Verbesserung der strukturellen und räumlichen Wahrnehmung in Visualisierungsverfahren -- mit der Verbesserung der Schnittstelle. Leider werden viele visuelle Verbesserungen durch Computergrafikmethoden der Spieleindustrie mit Argwohn beäugt. Im zweiten Teil meiner Arbeit werde ich zeigen, dass solche Methoden in der Visualisierung angewendet werden können um den räumlichen Eindruck zu verbessern und Strukturen in den Daten hervorzuheben. Dazu nutze ich ein in der Computergrafik bekanntes Paradigma: das \"Screen Space Rendering\". Dieses Paradigma hat den Vorteil, dass es auf nahezu jede existierende Visualiserungsmethode als Nachbearbeitunsgschritt angewendet werden kann. Zunächst führe ich zwei Methoden ein, die die Wahrnehmung von gitterartigen Strukturen auf beliebigen Oberflächen verbessern. Diese Gitter repräsentieren die Struktur von Tensoren zweiter Ordnung und wurden durch eine Methode namens \"TensorMesh\" erzeugt. Anschließend zeige ich eine neuartige Technik für die optimale Schattierung von Linien und Punktdaten. Mit dieser Technik ist es erstmals möglich sowohl lokale Details als auch globale räumliche Zusammenhänge in dichten Linien- und Punktdaten zu erfassen

Computer Science & Technology Series : XIX Argentine Congress of Computer Science. Selected papers

CACIC’13 was the nineteenth Congress in the CACIC series. It was organized by the Department of Computer Systems at the CAECE University in Mar del Plata. The Congress included 13 Workshops with 165 accepted papers, 5 Conferences, 3 invited tutorials, different meetings related with Computer Science Education (Professors, PhD students, Curricula) and an International School with 5 courses. CACIC 2013 was organized following the traditional Congress format, with 13 Workshops covering a diversity of dimensions of Computer Science Research. Each topic was supervised by a committee of 3-5 chairs of different Universities. The call for papers attracted a total of 247 submissions. An average of 2.5 review reports were collected for each paper, for a grand total of 676 review reports that involved about 210 different reviewers. A total of 165 full papers, involving 489 authors and 80 Universities, were accepted and 25 of them were selected for this book.Red de Universidades con Carreras en Informática (RedUNCI

Ray Tracing Gems

This book is a must-have for anyone serious about rendering in real time. With the announcement of new ray tracing APIs and hardware to support them, developers can easily create real-time applications with ray tracing as a core component. As ray tracing on the GPU becomes faster, it will play a more central role in real-time rendering. Ray Tracing Gems provides key building blocks for developers of games, architectural applications, visualizations, and more. Experts in rendering share their knowledge by explaining everything from nitty-gritty techniques that will improve any ray tracer to mastery of the new capabilities of current and future hardware. What you'll learn: The latest ray tracing techniques for developing real-time applications in multiple domains Guidance, advice, and best practices for rendering applications with Microsoft DirectX Raytracing (DXR) How to implement high-performance graphics for interactive visualizations, games, simulations, and more Who this book is for: Developers who are looking to leverage the latest APIs and GPU technology for real-time rendering and ray tracing Students looking to learn about best practices in these areas Enthusiasts who want to understand and experiment with their new GPU

Synthetic image generation and the use of virtual environments for image enhancement tasks

Deep learning networks are often difficult to train if there are insufficient image samples. Gathering real-world images tailored for a specific job takes a lot of work to perform. This dissertation explores techniques for synthetic image generation and virtual environments for various image enhancement/ correction/restoration tasks, specifically distortion correction, dehazing, shadow removal, and intrinsic image decomposition. First, given various image formation equations, such as those used in distortion correction and dehazing, synthetic image samples can be produced, provided that the equation is well-posed. Second, using virtual environments to train various image models is applicable for simulating real-world effects that are otherwise difficult to gather or replicate, such as dehazing and shadow removal. Given synthetic images, one cannot train a network directly on it as there is a possible gap between the synthetic and real domains. We have devised several techniques for generating synthetic images and formulated domain adaptation methods where our trained deep-learning networks perform competitively in distortion correction, dehazing, and shadow removal. Additional studies and directions are provided for the intrinsic image decomposition problem and the exploration of procedural content generation, where a virtual Philippine city was created as an initial prototype. Keywords: image generation, image correction, image dehazing, shadow removal, intrinsic image decomposition, computer graphics, rendering, machine learning, neural networks, domain adaptation, procedural content generation

Actas do 10º Encontro Português de Computação Gráfica

Actas do 10º Encontro Portugês de Computação Gráfica, Lisboa, 1-3 de Outubro de 2001A investigação, o desenvolvimento e o ensino na área da Computação Gráfica constituem, em Portugal, uma realidade positiva e de largas tradições. O Encontro Português de Computação Gráfica (EPCG), realizado no âmbito das actividades do Grupo Português de Computação Gráfica (GPCG), tem permitido reunir regularmente, desde o 1º EPCG realizado também em Lisboa, mas no já longínquo mês de Julho de 1988, todos os que trabalham nesta área abrangente e com inúmeras aplicações. Pela primeira vez no historial destes Encontros, o 10º EPCG foi organizado em ligação estreita com as comunidades do Processamento de Imagem e da Visão por Computador, através da Associação Portuguesa de Reconhecimento de Padrões (APRP), salientando-se, assim, a acrescida colaboração, e a convergência, entre essas duas áreas e a Computação Gráfica. Este é o livro de actas deste 10º EPCG.INSATUniWebIcep PortugalMicrografAutodes