Flat Bidirectional Texture Functions

Highly-realistic materials in computer graphics are computationally and memory demanding. Currently, the most versatile techniques are based on Bidirectional Texture Functions (BTFs), an image-based approximation of appearance. Extremely realistic images may be quickly obtained with BTFs at the price of a huge amount of data. Even though a lot of BTF compression schemes have been introduced during the last years, the main remaining challenge arises from the fact that a BTF embeds many different optical phenomena generated by the underlying meso-geometry (parallax effects, masking, shadow casting, inter-reflections, etc.). We introduce a new representation for BTFs that isolates parallax effects. On one hand, we built a flattened BTF according to a global spatial parameterization of the underlying meso-geometry. On the other hand, we generate a set of view-dependent indirection maps on this spatial parameterization to encode all the parallax effects. We further analyze this representation on a various set of synthetic BTF data to show its benefits on view-dependent coherency, and to find the best sampling strategy. We also demonstrate that this representation is well suited for hardware acceleration on current GPUs.En Infographie, les matériaux hautement réalistes sont grand consommateurs de puissance de calculs ainsi que de mémoire. A l'heure actuelle, les techniques les plus versatiles reposent sur les fonctions de textures bidirectionnelles (BTFs) représentant une approximation à partir d'images de l'apparence des matériaux. Des images extrêmement réalistes peuvent être obtenues rapidement à l'aide de BTFs au prix d'une énorme quantité de données. Bien que de nombreux schémas de compression de BTFs aient été introduits au cours de ces dernières années, le principal challenge restant provient du fait qu'une BTF mélange différents phénomènes optiques générés par la meso-géométrie sous-jacente (effets de parallaxe ou de masquage, ombres portées, inter-réflexions, etc.), effets qui ne peuvent être que correctement gérés à l'aide d'approches appropriées. Nous introduisons une nouvelle représentation pour les BTFs qui isole les effets de parallaxes des autres effets. D'une part, nous construisons une BTF aplatie ("flattened") guidée par une paramétrisation spatiale et globale de la méso-géométrie sous-jacente. D'autre part, nous générons un ensemble de table d'indirections dans cette paramétrisation et pour chaque point de vue, afin d(encoder tous les effets de parallaxe. Nous analysons aussi cette représentation sur un ensemble de BTFs synthétiques afin de montrer l'avantage qu'elle apporte pour la cohérence dépendante du point de vue et pour trouver la meilleure stratégie d'échantillonnage. Nous montrons aussi que cette représentation est particulièrement bien adaptée pour bénéficier de l'accélération matérielle des processeurs graphiques actuels

Appearance-design interfaces and tools for computer cinematography: Evaluation and application

We define appearance design as the creation and editing of scene content such as lighting and surface materials in computer graphics. The appearance design process takes a significant amount of time relative to other production tasks and poses difficult artistic challenges. Many user interfaces have been proposed to make appearance design faster, easier, and more expressive, but no formal validation of these interfaces had been published prior to our body of work. With a focus on novice users, we present a series of investigations into the strengths and weaknesses of various appearance design user interfaces. In particular, we develop an experimental methodology for the evaluation of representative user interface paradigms in the areas of lighting and material design. We conduct three user studies having subjects perform design tasks under controlled conditions. In these studies, we discover new insight into the effectiveness of each paradigm for novices measured by objective performance as well as subjective feedback. We also offer observations on common workflow and capabilities of novice users in these domains. We use the results of our lighting study to develop a new representation for artistic control of lighting, where light travels along nonlinear paths

Artistic Path Space Editing of Physically Based Light Transport

Die Erzeugung realistischer Bilder ist ein wichtiges Ziel der Computergrafik, mit Anwendungen u.a. in der Spielfilmindustrie, Architektur und Medizin. Die physikalisch basierte Bildsynthese, welche in letzter Zeit anwendungsübergreifend weiten Anklang findet, bedient sich der numerischen Simulation des Lichttransports entlang durch die geometrische Optik vorgegebener Ausbreitungspfade; ein Modell, welches für übliche Szenen ausreicht, Photorealismus zu erzielen. Insgesamt gesehen ist heute das computergestützte Verfassen von Bildern und Animationen mit wohlgestalteter und theoretisch fundierter Schattierung stark vereinfacht. Allerdings ist bei der praktischen Umsetzung auch die Rücksichtnahme auf Details wie die Struktur des Ausgabegeräts wichtig und z.B. das Teilproblem der effizienten physikalisch basierten Bildsynthese in partizipierenden Medien ist noch weit davon entfernt, als gelöst zu gelten. Weiterhin ist die Bildsynthese als Teil eines weiteren Kontextes zu sehen: der effektiven Kommunikation von Ideen und Informationen. Seien es nun Form und Funktion eines Gebäudes, die medizinische Visualisierung einer Computertomografie oder aber die Stimmung einer Filmsequenz -- Botschaften in Form digitaler Bilder sind heutzutage omnipräsent. Leider hat die Verbreitung der -- auf Simulation ausgelegten -- Methodik der physikalisch basierten Bildsynthese generell zu einem Verlust intuitiver, feingestalteter und lokaler künstlerischer Kontrolle des finalen Bildinhalts geführt, welche in vorherigen, weniger strikten Paradigmen vorhanden war. Die Beiträge dieser Dissertation decken unterschiedliche Aspekte der Bildsynthese ab. Dies sind zunächst einmal die grundlegende Subpixel-Bildsynthese sowie effiziente Bildsyntheseverfahren für partizipierende Medien. Im Mittelpunkt der Arbeit stehen jedoch Ansätze zum effektiven visuellen Verständnis der Lichtausbreitung, die eine lokale künstlerische Einflussnahme ermöglichen und gleichzeitig auf globaler Ebene konsistente und glaubwürdige Ergebnisse erzielen. Hierbei ist die Kernidee, Visualisierung und Bearbeitung des Lichts direkt im alle möglichen Lichtpfade einschließenden "Pfadraum" durchzuführen. Dies steht im Gegensatz zu Verfahren nach Stand der Forschung, die entweder im Bildraum arbeiten oder auf bestimmte, isolierte Beleuchtungseffekte wie perfekte Spiegelungen, Schatten oder Kaustiken zugeschnitten sind. Die Erprobung der vorgestellten Verfahren hat gezeigt, dass mit ihnen real existierende Probleme der Bilderzeugung für Filmproduktionen gelöst werden können

Advanced methods for relightable scene representations in image space

The realistic reproduction of visual appearance of real-world objects requires accurate computer graphics models that describe the optical interaction of a scene with its surroundings. Data-driven approaches that model the scene globally as a reflectance field function in eight parameters deliver high quality and work for most material combinations, but are costly to acquire and store. Image-space relighting, which constrains the application to create photos with a virtual, fix camera in freely chosen illumination, requires only a 4D data structure to provide full fidelity. This thesis contributes to image-space relighting on four accounts: (1) We investigate the acquisition of 4D reflectance fields in the context of sampling and propose a practical setup for pre-filtering of reflectance data during recording, and apply it in an adaptive sampling scheme. (2) We introduce a feature-driven image synthesis algorithm for the interpolation of coarsely sampled reflectance data in software to achieve highly realistic images. (3) We propose an implicit reflectance data representation, which uses a Bayesian approach to relight complex scenes from the example of much simpler reference objects. (4) Finally, we construct novel, passive devices out of optical components that render reflectance field data in real-time, shaping the incident illumination into the desired imageDie realistische Wiedergabe der visuellen Erscheinung einer realen Szene setzt genaue Modelle aus der Computergraphik für die Interaktion der Szene mit ihrer Umgebung voraus. Globale Ansätze, die das Verhalten der Szene insgesamt als Reflektanzfeldfunktion in acht Parametern modellieren, liefern hohe Qualität für viele Materialtypen, sind aber teuer aufzuzeichnen und zu speichern. Verfahren zur Neubeleuchtung im Bildraum schränken die Anwendbarkeit auf fest gewählte Kameras ein, ermöglichen aber die freie Wahl der Beleuchtung, und erfordern dadurch lediglich eine 4D - Datenstruktur für volle Wiedergabetreue. Diese Arbeit enthält vier Beiträge zu diesem Thema: (1) wir untersuchen die Aufzeichnung von 4D Reflektanzfeldern im Kontext der Abtasttheorie und schlagen einen praktischen Aufbau vor, der Reflektanzdaten bereits während der Messung vorfiltert. Wir verwenden ihn in einem adaptiven Abtastschema. (2) Wir führen einen merkmalgesteuerten Bildsynthesealgorithmus für die Interpolation von grob abgetasteten Reflektanzdaten ein. (3) Wir schlagen eine implizite Beschreibung von Reflektanzdaten vor, die mit einem Bayesschen Ansatz komplexe Szenen anhand des Beispiels eines viel einfacheren Referenzobjektes neu beleuchtet. (4) Unter der Verwendung optischer Komponenten schaffen wir passive Aufbauten zur Darstellung von Reflektanzfeldern in Echtzeit, indem wir einfallende Beleuchtung direkt in das gewünschte Bild umwandeln

Perceptually-motivated, interactive rendering and editing of global illumination

This thesis proposes several new perceptually-motivated techniques to synthesize, edit and enhance depiction of three-dimensional virtual scenes. Finding algorithms that fit the perceptually economic middle ground between artistic depiction and full physical simulation is the challenge taken in this work. First, we will present three interactive global illumination rendering approaches that are inspired by perception to efficiently depict important light transport. Those methods have in common to compute global illumination in large and fully dynamic scenes allowing for light, geometry, and material changes at interactive or real-time rates. Further, this thesis proposes a tool to edit reflections, that allows to bend physical laws to match artistic goals by exploiting perception. Finally, this work contributes a post-processing operator that depicts high contrast scenes in the same way as artists do, by simulating it "seen'; through a dynamic virtual human eye in real-time.Diese Arbeit stellt eine Anzahl von Algorithmen zur Synthese, Bearbeitung und verbesserten Darstellung von virtuellen drei-dimensionalen Szenen vor. Die Herausforderung liegt dabei in der Suche nach Ausgewogenheit zwischen korrekter physikalischer Berechnung und der künstlerischen, durch die Gesetze der menschlichen Wahrnehmung motivierten Praxis. Zunächst werden drei Verfahren zur Bild-Synthese mit globaler Beleuchtung vorgestellt, deren Gemeinsamkeit in der effizienten Handhabung großer und dynamischer virtueller Szenen liegt, in denen sich Geometrie, Materialen und Licht frei verändern lassen. Darauffolgend wird ein Werkzeug zum Editieren von Reflektionen in virtuellen Szenen das die menschliche Wahrnehmung ausnutzt um künstlerische Vorgaben umzusetzen, vorgestellt. Die Arbeit schließt mit einem Filter am Ende der Verarbeitungskette, der den wahrgenommen Kontrast in einem Bild erhöht, indem er die Entstehung von Glanzeffekten im menschlichen Auge nachbildet